装配式钢管混凝土格构墩设计研究

2021-12-23刘婉玥

工程与建设 2021年5期

杨凯，刘婉玥

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088 2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽合肥 230088)

0 引言

随着我国经济的迅速发展,对公路交通建设的要求也越来越高,尤其对山区而言,公路交通已成为制约这些地区经济发展的瓶颈。受地形条件限制,在这些地区进行公路建设经常要跨越河流、峡谷等复杂地形,高桥墩的修建日益增多。高墩结构形式一般比较复杂,往往采用空心薄壁墩,其混凝土浇筑体量较大,施工速度较慢,不能适应山区工业化建造需求[9-10]。

本文结合山区特点,提出一种可装配化施工的钢管混凝土格构墩。装配式钢管混凝土格构墩的研究可实现山区的工业化高墩建设,提升项目的建设速度,产生直接的经济效益;工业化建造可以实现绿色化建造,最大程度上减少对桥址周围的环境破坏,实现集约化发展。本文依托某山区实际工程项目的建设,对装配式钢管混凝土高墩进行初步研究与分析。

1 工程概况

某山区高速致力于打造旅游公路与绿色公路。全线采用双向四车道高速公路标准建设,设计时速80 km/h,路基宽度25.5 m。该项目位于皖南山区,桥址条件复杂,地震峰值加速度.05g。该项目涉及众多高墩的建设问题,为减少对现有环境的扰动,实现山区桥梁工业化建造,部分区段桥梁设计上部结构采用装配式双主梁钢板组合梁桥,下部结构采用装配式钢管混凝土格构墩。

图1 某一联桥跨布置示意图

2 格构墩构造与体系设计

格构墩主要承载构件为钢管混凝土墩柱,内壁的混凝土可防止钢管的局部失稳。格构墩体系由4根钢管混凝土柱、盖梁、承台与柱间支撑组成,见图2。钢管混凝土柱由钢管内包空心混凝土柱组成,钢管使用定型钢管,内部混凝土可采用C60～C80混凝土,钢管混凝土柱在工厂高速离心形成。根据墩高不同,钢管混凝土柱选用不同截面,对于40～50 m墩高,一般将墩柱分为3段,上段截面形式为SC700-110-10(表示直径为700 mm,壁厚为110 mm,钢管壁厚为10 mm的钢管混凝土),中段截面形式为SC700-110-12,底段截面形式为SC700-110-14。底部节段外包3 m高钢筋混凝土,节段之间采用法兰连接,可根据设计墩高对节段长度进行调整。

墩柱之间通过横撑钢管连接成整体,在满足钢管混凝土柱稳定的基础上,格构墩的横撑布置形式对格构墩承载力影响较小[1-3],横撑的型式与布置对格构墩的整体刚度起到重要作用。

图2 格构墩设计

本文从刚度方面对横撑形式进行研究。根据设计条件,钢管混凝土墩柱之间的横向连接主要有3种型式,图3中从左至右依次为:斜撑、K形支撑Ⅰ与K形支撑Ⅱ。

图3 墩柱之间横向支撑型式

表1 不同支撑型式刚度对比

通过在墩顶施加横桥向集中力1 kN对比分析3种支撑形式的刚度与受力行为。对比分析3种横向支撑型式刚度,斜撑抗侧推刚度最大,其次为K形支撑Ⅰ,K形支撑Ⅱ。传力路径越直接,其刚度越大,如果只基于结构受力性能方面考虑,斜撑是最优的选择。但基于实际工业化建造的需要,斜撑不利于格构墩的分段,K形支撑形式可实现分节段组装,因此综合考虑,选择K形支撑Ⅰ作为格构墩柱横向支撑型式。

格构墩柱纵向距离较小,通过平撑进行连接,易知平撑布置数量愈多格构墩的纵向刚度愈大。平撑的布置须从受力、材料用量与节段划分综合考虑。

3 墩梁连接体系设计

为使上部结构与下部结构刚度相适配,上部结构同样也选择使用钢混组合结构——双主梁钢板组合梁[6],跨度布置为4×40 m。钢板组合梁采用预制桥面板,钢主梁工厂加工而成,具有自重轻、结构简洁,可实现全装配化等特点[7,8]。

图4 上部结构钢板组合梁标准断面

在传统高墩设计中,一般使用墩梁固结体系,增大整体刚度。本文对3种支座布置型式进行分析对比:

(1)墩梁固结,中间墩全部与上部结构固结;

(2)一般支座布置,只在一个中间墩设置固定支座,限制上部结构纵向自由度,如图5所示;

(3)多固定支座布置,除端支座外,中间支座全部采用固定支座,增大上下部结构整体纵向刚度,如图6所示。

对3种支座布置形式结构受力进行分析对比,恒载作用下弯矩，如图7所示。

图5 一般支座布置形式

图6 多固定支座布置形式

图7 恒载作用下弯矩分布(kN.m)

表2 不同支座布置弯矩对比

从以上计算结果可以看出:多固定支座布置与一般支座布置形式上部结构内力分布的差别较小;而墩梁固结跨中正弯矩减少,墩顶不利负弯矩增加。

采用墩梁固结,使中支点处构造复杂,墩顶不利负弯矩增加;采用多固定支座布置,可以限制主梁纵向自由度,释放转动自由度,实现限制部分墩顶位移的设计需求。在3种支座布置形式中,最终选用多固定支座布置。

4 施工方式

格构墩目前节段最大重量为82t,一般节段重量为65t。根据现场地形情况与格构墩设计高度,可选择塔吊作为起吊设备。

装配式钢管混凝土格构墩一般施工流程:1.施工桩基与承台,承台预留与墩柱连接杯口;2.墩柱与横撑在工厂下料预制而成,运至施工现场,横撑与墩柱焊接进行节段拼装;3.使用塔吊整节段吊装就位,节段之间使用法兰连接;4.浇筑盖梁。其中节段吊装为格构墩施工的关键工序,节段直接采用法兰连接,可避免高空焊接[5]。

图8 施工流程示意图

5 结构分析

5.1 全桥有限元模拟

整体计算采用杆系单元,采用MIDAS CIVIL 2020,钢板组合梁与钢管混凝土均采用MIDAS内置联合截面进行模拟,由于桥址处地址为岩石地基,墩底边界约束条件直接固结约束,其有限元模型见图9支座采用弹性连接进行模拟,对于横向活动支座,其允许位移值为50 mm,纵向活动支座的允许值为100 mm,对于活动支座的模拟需要采用双折线模型。

图9 全桥有限元模型

5.2 钢管混凝土墩柱承载能力分析

空心钢管混凝土柱的承载能力根据《实心与空心钢管混凝土结构技术规程CECS254:2012》计算[2]。该规范基于“钢管混凝土统一理论”,即把钢管混凝土看作一个统一体,视为是一种“组合材料”[4]。根据有限元分析,墩柱截面最大弯矩274 kN·m,最大轴力为5 071 kN,因为该墩为格构式受力构件,墩柱所受弯矩与轴力均有较大富余量。除验算弯矩、轴力、剪力单项荷载作用下的截面承载力外,还须验算弯矩、轴力与剪力耦合作用下的受力行为:

式中，N,M,V为格构墩柱设计内力,N、M、V为截面承载能力,βm为等效弯矩系数,φ为轴压构件稳定系数,NE为受压柱的临界稳定承载力。