鋼管混凝土組合格構柱高墩大跨連續剛構橋非線性研究
占玉林1,趙人達1,徐騰飛1,唐承平2
(1.西南交通大學橋梁工程系,四川成都 610031;
2.四川雅西高速公路有限責任公司,四川雅安 625000)
摘 要:臘八斤特大橋是雅瀘路上一座高墩大跨連續剛構橋,該橋在國內首次提出并采用了鋼管混凝土組合格構柱高墩�？紤]鋼管混凝土組合格構柱截面的組合性能,建立了三維非線性數值計算模型。按照橋梁施工過程,進行了施工狀態和成橋狀態的非線性研究。計算結果表明,鋼管混凝土組合格構柱高墩具有較大的剛度,橫向聯系能明顯減小橋梁的橫向變形。
關鍵詞:高墩大跨連續剛構橋;鋼管混凝土;組合格構柱;非線性;橫向聯系;剛度
中圖分類號:TU528·59 文獻標識碼:A 文章編號: 1008-1933(2009)06-038-04
0 前 言
混凝土連續剛構橋對于適應橋梁在地理、地質及交通運輸方面具有獨特的優越性,尤其在山區高等級公路中應用較為廣泛[1-3]�？v觀目前大量已建或在建的連續剛構橋,主要的形式為由混凝土橋墩和混凝土主梁組成的預應力混凝土連續剛構橋。這種結構形式較大的優點是就地取材,造價低。但是,橋墩的高度受限,過高的橋墩帶來較強的非線性效應,且不利于在高地震烈度區應用,對于橋梁施工和應用均有一定限制。另外,結構的外觀尺寸及美觀效果也由于結構受力的限制而大打折扣,橋梁往往體型較大。在建的雅瀘(雅安至瀘沽湖)高速公路是交通部西部示范工程,所穿越的地帶高山、峽谷眾多,地質、地形、地貌條件極為復雜,且處于地震高烈度區。在綜合考慮各種因素的基礎上,工程設計人員提出了一種新型組合格構柱高墩。其主要的設計思路是利用鋼管混凝土受壓時的增強效應來減小截面尺寸,而為了將鋼管混凝土柱連成整體,在鋼管混凝土柱之間設計了連接剪力墻(截面形式見圖1),其中最高的橋墩高達183 m左右,主跨200 m。這種結構形式目前沒有設計規程可以參考,在國內是首次采用,沒有工程經驗可以借鑒。為了研究這種結構形式連續剛構橋的結構行為,筆者所在研究小組以雅瀘路臘八斤大橋為研究對象,開展了組合格構柱超高墩連續剛構橋的非線性研究。且考慮到高墩主要的非線性表現在空間幾何方面,所以分析時以幾何非線性為主。為敘述方便,從內側到外側,依次命名為核心混凝土、鋼管和外包混凝土。
1 基本概況
臘八斤大橋位于雅瀘路滎經縣石滓鄉跨臘八斤溝的一座特大橋,主跨為200 m的連續剛構橋。主梁采用預應力混凝土箱梁,橋墩采用鋼管混凝土格構柱,最高墩183 m。在10號墩至橋臺區域為平面曲線,曲線半徑2500 m。對于主梁等截面形式與常規預應力剛構橋沒有區別,不作敘述。此處重點介紹橋墩截面形式,其典型截面形式如圖1所示。
主梁采用C60級混凝土,橋墩為鋼管混凝土格構柱橋墩,鋼管內混凝土采用C80,外包C30混凝土。混凝土材料性能按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[4]取值,橋墩鋼材按照《鋼管混凝土結構技術與施工規程》[5]和《矩形鋼管混凝土結構技術規程》[6]綜合考慮取值。材料特性見表1。
2 計算理論
2.1 連續剛構橋非線性計算理論
連續剛構橋進行非線性計算時,通常是采用荷載增量迭代的方法進行,即把荷載分為若干級差的荷載增量{ΔF}i(i=1,2,3,…, n)。對于每一荷載步內,通常按線性處理,即在足夠小的荷載步長內,采用線性解答,來達到近似非線性處理的效果。表達成數學方程即有[7-9]
[K]i-1{δ}i={ΔF}i
式中 [K]i-1為第i-1加載結束時的剛度矩陣;{δ}i為第i級荷載加載后的位移向量; {ΔF}為第i級加載時的荷載矩陣。
結構的剛度矩陣需要考慮大變位對剛度矩陣的影響,可以表示為[10]
[K]i=[KG]i+[KL]i
式中 [KG]為結構的幾何剛度矩陣; [KL]為結構大位移對幾何剛度矩陣的影響項,描述大位移對剛度矩陣的影響,其具體形式見相關文獻。
對于分步迭代,通常可以采用的分析方法有牛頓—拉普遜方法和弧長法。
2.2 組合格構柱
鋼管混凝土對于改善細長構件的穩定問題發揮著良好的作用,目前多用于單層工業廠房和大跨度拱橋中,而在連續體系橋梁中的應用較少。本文采用的格構組合柱在傳統概念的鋼管混凝土的基礎上,在鋼管外側再設計一定厚度的外包混凝土,并將多根鋼管混凝土柱連成整體,形成格構。在結構設計概念上綜合了鋼管混凝土和型鋼外包混凝土兩種構件的特點,所以具有新穎性�？紤]全橋模型的計算工作量,本文將核心混凝土、鋼管和外包混凝土三者按照組合結構的處理方式等效為一種材料進行考慮。
2.3 橫向連接系
左右兩幅橋相互獨立,滿足相互之間縱向變位的獨立性。但是橫向上存在穩定和橫向剛度不足的弱點,為此,在橋墩之間設置橫向連接系。橫向連接系將兩幅橋的墩連成一個剛構體系,類似門型剛構的受力模式。橫向聯系的布置如圖2所示,計算模型中采用梁單元來考慮橫向連接系的作用。為了比較,分別進行了有無橫向連接系的計算結果分析。
3 計算模型
結構受到的荷載主要有一期恒載、二期恒載和車道荷載。在最大懸臂施工狀態,結構受到一期恒載與施工荷載作用。根據《公路橋涵設計通用規范》的相關規定,主要荷載包括如下:①一期恒載;②二期恒載;③車道荷載;④施工荷載。荷載組合情況如下:
LCB1(最大懸臂施工狀態):①+④
LCB2(成橋承載能力極限狀態):①+②+③
車道荷載的折減系數、沖擊作用的考慮,均按照規范相應規定進行。
按照極限狀態分析方法,分別建立LCB1和LCB2兩種不同狀態的空間分析模型,其模型如圖3所示。限于篇幅,不設置中間連接系的計算模型,本文不再敘述。
4 計算結果與分析
計算過程中對坐標系的規定如下:以橋梁的縱向為X軸,以高程方向為Y軸,Z軸的方向遵循右手法則,即Z軸方向為橫橋向。
4.1 最大懸臂狀態
懸臂施工中最大懸臂狀態是一個比較不利的狀態,計算結果分別比較了不同墩在最大懸臂狀態時的計算結果,其中包括直線墩和曲線墩。而為了反映橫向聯系的作用,并有意識地比較了單幅橋和雙幅橋的計算結果。
表2, 3分別給出了位于直線和曲線區域的墩及其對應的墩梁最大懸臂狀態的撓度計算結果。從表2可以看出,直線區域的梁在最大懸臂狀態時不發生橫向位移,主要的撓度集中在豎直方向。單幅橋在恒載及施工荷載作用下豎向位移約62 cm,而雙幅橋相對略有增大,達到69 cm。而幾何非線性對豎向撓度的在單幅橋和雙幅橋時分別為0·65%和0·27%,幾乎可以忽略不計。從表3可以看出,不論是單幅橋還是雙幅橋,非線性因素對縱向位移的影響程度在13%左右;但是對豎向變形的影響基本都在0%左右,可以忽略。單幅橋的橫向位移增量比值為96·54%,而雙幅橋則為13·35%,二者相差較大,說明非線性對曲線上最大懸臂橋梁的施工影響十分顯著。綜合比較表2, 3可以發現,幾何非線性或結構幾何屬性差異(直線或曲線)對最大懸臂施工時的影響主要集中于橫橋向,幾何非線性對豎向撓度增量的影響較小,而曲線因素對橫橋向影響較突出,幾何非線性和曲線存在耦合效應,從另一個側面反映了橫向聯系對橫橋向的作用是比較明顯的。
4.2 成橋狀態
圖4給出了成橋狀態雙幅橋的位移計算結果,從中可以看出,盡管在邊跨部分存在平面曲線,但是由于約束及支撐的相互作用效應,橋梁的空間位移仍然以豎向變形為主,橫向和縱向位移較小。說明在成橋狀態下,由于約束的增強,曲線半徑較大(R=2500 m)的曲線高墩非線性不明顯,可以簡化為平直線形式橋梁進行計算,簡化計算程序。
表4給出了成橋狀態的控制截面的撓度計算結果,從中可以看出,跨中位置主要的變形為豎向,其值約在40 cm左右,相對于施工中的最不利狀態,位移值較小,說明幾何非線性對高墩大跨橋梁的影響明顯地反映在施工過程中。而墩頂位置位移較小,說明鋼管混凝土組合格構柱高墩的剛度較大。綜合比較單、雙幅橋的計算結果,二者在位移數值上沒有較大差異。與表2, 3的結果綜合比較,說明橫向聯系對成橋狀態后的受力和變形的改善作用沒有最大懸臂狀態明顯,在一定程度上說明施工中應加強橫向變形的控制。
表5給出了成橋狀態控制截面的內力計算結果,從中可以看出,跨中截面考慮非線性和線彈性計算結果相差不大,而高墩的墩頂和墩底軸力和剪力的差異也較小,但是考慮非線性與否的彎矩計算結果相差較大,說明幾何非線性產生的附加偏心矩給內力計算結果帶來的影響。值得說明的是,其中剪力比例值也較大,但是其數值絕對值卻較小,所以考慮數值計算的誤差,不足以說明剪力有明顯差異。
5 結 論
通過對組合鋼管混凝土格構柱超高墩進行分析,可以得到以下結論:
(1)建立了組合鋼管混凝土格構柱超高墩混凝土連續剛構橋的分析計算模型,為今后類似橋梁的計算的工作奠定了基礎。
(2)鋼管混凝土組合格構柱高墩具有較大的剛度,在施工和使用過程中,其變形較小。
(3)結合施工過程進行了組合格構柱超高墩連續剛構橋的實橋計算分析,為工程實際提供了參考。
(4)高墩非線性因素對該類連續剛構橋的突出影響體現在施工過程中,相對于成橋狀態,最大懸臂狀態為結構的最不利狀態。
(5)在最大懸臂狀態,非線性因素與橋梁的幾何彎曲存在耦合效應,在施工過程中應加以注意。
(6)單、雙幅橋的計算結果表明,橫向連續對橋梁的橫向變形起著顯著的作用,但成橋后作用不明顯。
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