高墩弯桥墩梁固结设计研究

高墩弯桥墩梁固结设计研究摘要：高墩弯桥是城市立交桥中出现频率较高的桥型，也是已建成立交中出现问题较多的桥型。本文通过对高墩弯桥设置墩梁固结和设置支座做详细计算分析，并从安全性、经济性、施工方便性等方面做比较，提出适合采用墩梁固结的弯桥类型、跨径范围，为类似桥梁设计提供参考。关键词：立交桥；高墩；弯桥；墩梁固结；线刚度引言伴随着我国城镇化的进程，大型城市立交的建设越来越多，而高墩弯桥是大型城市立交中不可或缺的桥梁类型，近年来，立交中高墩弯桥使用事故发生较多如哈尔滨阳明滩匝道桥坍塌、天津塘沽立交坍塌、重庆盛唐立交坍塌等。图1天津塘沽立交倾覆图2哈尔滨阳明滩匝道桥坍塌使用过程中未造成坍塌事故，但出现严重病害的数量更为众多，以深圳为例深圳市春风路高架桥（1994年建成）发生支座脱空、深圳市滨河路车公庙立交（1998年建成）施加预应力后发生支架坍塌、深圳市滨海大道南油立交（1999年建成）发生梁体偏转、深圳市华强北立交（1998年建成）发生严重梁体侧向位移等。上述事故发生的主因并非施工质量问题，而是因为弯桥抗倾覆安全系数不够和曲线预应力施加后梁体扭转。其中弯桥抗倾覆安全系数不够，主要因为箱梁整联都采用了设置支座的方式，而单支座的采用或者双支座间距不够更加剧了倾覆风险。墩梁固结的特点由于城市立交地面层的交通组织和景观通透性尤为重要，限制了弯桥桥墩的数量和形式，对于高墩匝道弯桥即使采用双支座，支座间距也不可能无限拉大。墩梁固结将高墩的受力形式从基础端固结+墩顶端自由或铰接转化为基础端固结+墩顶端弹性固结，消除弯桥的倾覆风险，增强了上构箱梁的整体稳定性，但墩梁固结后，加大了结构的超静定次数，也会影响上、下部结构的配筋。工程实例桥梁概况南宁市沙井-南站立交为三层半全互通立交，桥梁面积超3万平方米，本文选用具有代表性的E匝道桥第四联作为研究对象，在同等设计荷载下，分别对其在墩梁固结和设支座连续梁两种结构体系下的受力情况和主要材料用量进行对比。该联上部结构采用4X16m钢筋砼连续箱梁，桥梁平面位于半径60m的圆曲线上,桥宽10m，采用单箱双室结构，箱梁高1.3m，下构桥墩高度分别为18.8m、18.1m和17.6m，采用变截面矩形墩，墩身厚度1m。两种体系的桥梁结构横断面如图5〜图6所示。图5墩梁固结体系横断面图图6连续梁体系横断面图建立计算模型由于该联的桥梁平面曲线半径仅60m，为保证计算结果的精度，采用桥梁博士分析软件建立空间计算模型，主梁、桥墩均以梁单元模拟，墩梁固结体系在墩柱底位置模拟边界条件为固结，连续梁体系在支座位置模拟边界条件为简支。模型如图7〜图8所示：图7墩梁固结体系模型图图8连续梁体系模型图两种体系受力情况比较两种体系承载能力极限状态下纵梁的弯矩如图9〜图10所示，其中四等跨连续梁弯桥的弯矩分布存在以下三个问题：1)2号墩顶(8566KN・m)、4号墩顶(8158KN・m)的支点负弯矩较大，且超过3号墩顶(5581KN・m)较多，纵向分布不平衡；2)同一个支点的负弯矩中腹板(8566KN・m)明显大于外腹板(4801KN・m)和内腹板(4624KN・m),横向分布不均匀；3)墩顶负弯矩明显大于跨中正弯矩，正负弯矩的竖向分布不协调。产生弯矩分布不均衡的原因主要有以下两点：1)边跨和中跨跨径相等，一般边中跨的比值在0.55〜0.65之间时，弯矩的纵向分布才会基本均衡；2)主梁的横向刚度太弱，箱型截面的横向主要依靠顶板和底板来传递受力，而顶板和底板受自重限制，厚度均较小，为方便施工梁体内的横隔板数量一般少设或不设，所以横向刚度有限。

9卜腫振单元-J801TjW7Tf7BL■nisz.一：-「I,|■IIHi」弋.虫」|L1一丄l'JI」」L]Jrrt'L-9卜腫振单元-J801TjW7Tf7BL■nisz.一：-「I,|■IIHi」弋.虫」|L1一丄l'JI」」L]Jrrt'L-.：；62675LJ7也腕5027图10连续梁体系弯矩包络图3TQfi31E6312332L4由于边跨和中跨跨径相等，四等跨连续梁桥的2、4号墩顶的支点负弯矩较大，但城市立交的匝道弯桥跨径一般都会小于20m，从景观和功能上考虑都不宜为平衡支点负弯矩而过度的减小边跨跨径，因此需要另辟捷径。两种体系承载能力极限状态下的弯矩差值对比情况详见图11所示，墩梁固结后3号墩顶的负弯矩虽然呈上升趋势，但其峰值(7026KN・m)仍小于连续梁峰值(8566KN・m),且2、4号墩顶的支点负弯矩得到了有效的改善(平均降幅达25%)，达到了整体平衡和削峰的目的，因此通过墩梁固结改善中支点负弯矩不失为一个好的措施。当然，连续梁体系的中支点下缘正弯矩很小，在墩梁固结后其中支点下缘处的正弯矩明显增大，对箱梁底截面的设计有一定的程度的负面影响，这也是墩梁固结与连续梁设计之间的差别之一，但是相对跨中正弯矩而言其值尚在可接受范围。

图11两种体系弯矩差值对比图11两种体系弯矩差值对比经对比E匝道桥第四联两种体系下的主要内力和材料用量，墩梁固结后，由于上构箱梁的弯矩分布更为合理，控制截面的弯矩峰值更小，因此箱梁钢筋量得以降低；另外由于墩柱的计算长度减小（由2L减小为0.7L），墩身截面得以减小，砼材料和配筋量减幅约为20%，达到节约材料的目的。墩梁固结体系计算优化虽然该联墩梁固结后达到了整体削峰和平衡弯矩的初步目的，但也反应出一个问题，那就是固结前后的弯矩变化幅度过大，主要原因就是桥墩的刚度过大，箱梁与桥墩的刚度比尚不够合理。造成桥墩刚度过大的一个原因是模型在墩身底部按照固结考虑，实际工程中由于桥墩纵向仅为单排桩基础，达不到墩身底部固结的强度。下面引入桩基的假想固结点作为边界条件进行模型的优化计算，并对改善效果进行分析，提出墩梁固结体系下桥墩边界条件模拟的合理化建议。根据岩土的物理力学指标，计算出桩的假想固结点在距离桩顶4.8m处。在墩柱底位置增加承台和桩基础的模拟，并将边界条件修改为在桩的假想固结点位置固结，计算模型如图12所示：图12引入假想固结点后的墩梁固结模型该联在墩梁固结体系下，边界条件采用在桩的假想固结点处固结和原先的墩柱底部固结，弯矩差值的变化情况如下：1)2、4号墩顶的负弯矩增加、3号墩顶的负弯矩下降，跨中正弯矩均呈下降趋势，其峰值仍由3号墩顶负弯矩(6610KN・m)控制，相对原模型(7026KN・m)下降5.92%，模型的整体弯矩更加平衡、峰值也更小；2)支点下缘正弯矩减小，其峰值由2709KN・m降低为1927KN・m,降幅为28.9%。这是由于由于引入桩的假想固结点后，桥墩的计算长度增加，桥墩的刚度减小的缘故。可见在实际建模计算时，考虑桩在土体中的水平向变形作用，桩基按照土弹簧的形式建模或者通过桩的变形系数a计算出桩的假想固结点后建模，计算结果比在墩柱底固结更为精确和合理。墩梁固结体系线刚度比值探讨对于合适做墩梁固结的桥梁，作者认为在上部结构梁体与下部结构墩身之间应该存在一个相对合理的线刚度比值区间。通过对比三种不同跨径、梁高的4X16m、4X25m和4X30m箱梁桥在不同桥墩高度和刚度下的模型进行受力分析，编者认为当桥墩线刚度过大时，墩梁固结后墩柱顶、底截面会出现较大的弯矩，对墩柱配筋不利；桥墩线刚度小对墩梁固结受力有利，但是会出现墩顶位移过大的情况，对结构同样不利。因此需要做墩梁固结体系的桥梁，下部结构桥墩既不能太刚也不能太柔，而是要综合考虑上下部结构的受力情况、墩顶位移和材料指标等因素来合理确定，作者通过对上述模型的对比分析认为上构箱梁与下构桥墩的线刚度比值控制在12〜15之间是比较合适的(其中高墩宜取低值，矮墩宜取高值)。结论（1）城市立交的匝道桥多为弯斜桥，由于采用墩梁固结形式，永久解决了倾覆问题，当上构箱梁（跨径L）与下构桥墩的线刚度比值在12〜15之间时（其中高墩宜取低值，矮墩宜取高值），适合做成墩梁固结体系，即可改善桥梁的受力情况，也可以增强桥梁的安全性。（2）墩梁固结将高墩的受力形式从基础端固结+墩顶端自由或铰接转化为基础端固结+墩顶端弹性固结，减小了桥墩的计算长度，从而提高了桥墩的受压稳定性，因此可以减小墩身的构造尺寸和配筋量，墩身的砼材料和配筋量减幅约为15%〜30%，在确保结构安全度的同时达到节省材料的目的。（3）墩梁固结可以减小墩顶的纵向位移，改善行车舒适性。虽然墩顶设置支座时墩身仅承受上部结构传递下来的轴力和剪力，墩梁固结后承受上部结构传递下来的弯矩、轴力和剪力，但是由于墩身两端边界条件由一端固结+一端自由转变成为一端固结+一端弹性固结，墩身构件的变形呈现两种不同模式，后者的墩顶水平位移显著小于前者，对于联长较大的桥梁，墩顶纵向位移减小后可以减小联端伸缩缝的宽度，从而改善行车舒适性。（4）墩梁固结设计时各墩位间的不均匀沉降量应注意考虑非固结墩台后期更换支座施工期间顶升箱梁的影响。（5）墩梁固结后墩梁固结处的应力变得复杂，设计中应予以重视。（6）对于有条件的大跨度桥型，应该要保持边跨和中跨的比例，尽量不要等跨布置。（7）当无条件做不等跨桥型时，固结体系桥梁可以通过适当加大靠边跨桥墩的线刚度，调整边跨桥墩与中跨桥墩的线刚度比来平衡受力，线刚度比例宜控制在1.1〜1.3之间，