超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)整幅雙主墩計算長度系數(shù)的取值研究

毛遠(yuǎn)文，任 科，王海龍

（1.貴陽市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550023；2.中鐵二院貴陽勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

橋墩的配筋設(shè)計過程中涉及計算長度系數(shù)的取值問題。計算長度是受壓構(gòu)件承載力計算的一個重要參數(shù)。結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件是通過節(jié)點(diǎn)連接在一起工作的，所以確定構(gòu)件的計算長度系數(shù)必須考慮相鄰構(gòu)件之間的相互約束，這種約束作用需由結(jié)構(gòu)的整體分析確定。如果采用有限元方法進(jìn)行分析，則不需進(jìn)行專門的處理，因?yàn)闃?gòu)件本身在整體結(jié)構(gòu)中。但對于規(guī)范采用的簡化設(shè)計方法，構(gòu)件是單獨(dú)進(jìn)行分析的，脫離了原來整體結(jié)構(gòu)環(huán)境的約束，所以需要進(jìn)行專門的研究[1]。

構(gòu)件計算長度就是一個構(gòu)件相鄰彎矩零點(diǎn)之間的長度。構(gòu)件端部約束條件不同，反彎點(diǎn)的位置也不同，構(gòu)件計算長度取值也受影響。關(guān)于彈性獨(dú)立構(gòu)件的計算長度換算系數(shù)，當(dāng)構(gòu)件兩端固定時，μ 取0.5；當(dāng)一端固定、一端為不移動的鉸時，μ 取0.7；當(dāng)兩端均為不移動的鉸時，μ 取1.0；當(dāng)一端固定、一端自由時，μ 取2.0[2]。

實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件的邊界條件很難理想化固結(jié)、鉸接或者自由等狀態(tài)。以連續(xù)剛構(gòu)為例，橋墩與主梁連接而形成一個相互影響的體系，但主梁對橋墩頂部的約束并非理想固結(jié)狀況，加上兩幅橋墩通過設(shè)置橫撐連接在一起，很難按照規(guī)范計算橋墩的計算長度系數(shù)，工程上一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。如果系數(shù)取值與實(shí)際情況相差太大，將造成結(jié)構(gòu)的不安全或者不經(jīng)濟(jì)。因此，如何選擇合適的計算長度系數(shù)就成了控制橋墩設(shè)計的關(guān)鍵因素。

1 壓桿穩(wěn)定理論

以壓桿穩(wěn)定理論為基礎(chǔ)，可以反推出計算長度系數(shù)和構(gòu)件屈曲臨界荷載的數(shù)學(xué)關(guān)系。在軸心受壓桿件的彈性屈曲分析中，根據(jù)歐拉公式，其臨界公式為：

式中：μl 為壓桿屈曲時屈曲繞曲線上兩個彎矩零點(diǎn)（反彎點(diǎn)）之間的距離，叫作自由長度，也就是橋梁內(nèi)力計算中的計算長度。這樣很容易把穩(wěn)定分析（主要指第一類穩(wěn)定）和橋墩的計算長度聯(lián)系起來。μ 為壓桿的計算長度系數(shù)。E 為材料的彈性模量。I 為屈曲方向的彎曲慣性矩。

由公式可知，橋墩的材料、慣性矩、高度、橋梁的失穩(wěn)系數(shù)和荷載直接影響著計算長度的大小。由于橋墩一般多采用混凝土材料，彈性模量相差不大，因此不再單獨(dú)進(jìn)行分析。另外，墩頂所受軸力大小一般不隨橋墩剛度等的改變而改變，對計算長度的影響也不會很大。而橋墩的慣性矩和高度又直接影響著橋梁的失穩(wěn)系數(shù)，不能簡單地根據(jù)公式來判斷其對計算長度影響的大小[3-4]。通過歐拉公式，只要確定臨界荷載ρcr就可以確定構(gòu)件的計算長度或計算長度系數(shù)。采用有限元軟件建立橋梁的空間有限元模型，在橋墩處施加單位力，進(jìn)行屈曲分析，可求得結(jié)構(gòu)在單位力荷載作用下的失穩(wěn)模態(tài)和安全系數(shù)。找到所求構(gòu)件對應(yīng)的失穩(wěn)形式，求得臨界荷載，最后根據(jù)歐拉公式反推出構(gòu)件的計算長度[5]。

2 工程實(shí)例

瓦廠特大橋是主跨左幅布置為（95+2×180+95）m、主跨右幅布置為（95+2×180+103）m 的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，位于整體式路基，分左、右兩幅，單幅寬度為12.55 m，單箱單室截面，跨中處梁高4.0 m，支點(diǎn)處箱梁中心梁高11.5 m。主橋主墩采用整幅雙主墩，1 號主墩墩高105 m，2 號主墩墩高148 m，3號主墩墩高145 m，為典型的超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋。1 號主墩采用雙肢等截面空心薄壁墩，其余主墩采用單肢等截面空心薄壁墩，橋型布置如圖1 所示。單肢等截面空心薄壁墩橫橋向?qū)挾?.55 m，順橋向?qū)挾?1 m，壁厚0.8 m。為增加橫向剛度，抵御風(fēng)荷載，1 號主墩（雙肢薄壁墩）在橫向設(shè)置一道橫撐，2 號和3 號主墩（單肢空心墩）在橫向均分設(shè)置三道橫撐，主墩承臺采用左右幅整體式承臺，平面尺寸23.6 m×17.6 m，厚5.0 m。主墩構(gòu)造尺寸如圖2 所示。

圖1 橋型布置圖（僅示左幅，單位：m）

圖2 主墩構(gòu)造立面圖（單位：cm）

3 縱、橫向計算長度系數(shù)

采用MIDAS 有限元軟件建立空間壓桿計算模型，模擬整幅雙主墩，整體式承臺，其中主墩橫向通過設(shè)置橫撐梁單元將左、右幅連成一體（見圖3）。在最大懸臂狀態(tài)下的縱橫計算長度系數(shù)見表1 和表2，在成橋狀態(tài)下的縱橫計算長度系數(shù)見表3 和表4。

圖3 瓦廠特大橋空間有限元模型

表1 最大懸臂施工狀態(tài)下的橫向計算長度系

表2 最大懸臂施工狀態(tài)下的縱向計算長度系數(shù)

表3 成橋狀態(tài)下的橫向計算長度系數(shù)

表4 成橋狀態(tài)下的縱向計算長度系數(shù)

由表1～表4 可知，由于兩幅橋墩之間設(shè)置了橫撐，橋梁橫向的計算長度系數(shù)大大減小。在最大雙懸臂狀態(tài)下，單肢空心墩的縱向計算長度系數(shù)取值近似于一端固定、一端自由。為了在懸澆階段提供足夠安全的抵抗縱向不平衡彎矩的作用，需要較大的縱向尺寸。故靠經(jīng)驗(yàn)取值是無法準(zhǔn)確確定計算長度的。如果取值與實(shí)際情況相差太大，將造成橋梁設(shè)計的不安全或者過于保守。

4 橫撐道數(shù)對縱橫向計算長度系數(shù)的影響

超高墩既要滿足穩(wěn)定性要求，又要抵抗對設(shè)計起控制作用的強(qiáng)大風(fēng)荷載，必須具有一定的橫向剛度，抵抗橫橋向風(fēng)荷載，減小偏載引起的側(cè)向位移，提高行車舒適性。通過兩幅橋墩之間設(shè)置橫撐，增大橋梁的橫向剛度，但設(shè)置的橫撐道數(shù)越多，施工越復(fù)雜，施工進(jìn)度同樣受到制約。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮墩高、施工的便利、剛度、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性等因素，合理設(shè)置橫撐道數(shù)。由于篇幅有限，只列出本橋2 號主墩在最大懸臂施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)下的縱橫向計算長度（見表5～表8）。

表5 最大懸臂施工狀態(tài)下的橫向計算長度系數(shù)

表6 最大懸臂施工狀態(tài)下的縱向計算長度系數(shù)

表7 成橋狀態(tài)下的橫向計算長度系數(shù)

表8 成橋狀態(tài)下的縱向計算長度系數(shù)

由表5～表8 可知，隨著橫撐道數(shù)的增加，橋墩的縱向計算長度系數(shù)取值不變，橫向計算長度取值逐漸變小。結(jié)合主墩的高度、施工便利、剛度、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性等因素，綜合確定本橋2 號主墩在橫向設(shè)置三道橫撐。

5 結(jié)論

（1）從結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定出發(fā)，得到構(gòu)件的失穩(wěn)臨界荷載，再按歐拉公式反推得到相應(yīng)的計算長度系數(shù)，這種方法可行，而且也很實(shí)用。

（2）由于兩幅橋墩之間設(shè)置了橫撐，橫向的計算長度系數(shù)大大減小，在最大雙懸臂狀態(tài)下，單肢空心墩的縱向計算長度系數(shù)取值近似于一端固定、一端自由。估靠經(jīng)驗(yàn)取值是無法準(zhǔn)確確定計算長度的，如果取值與實(shí)際情況相差太大，將造成結(jié)構(gòu)的不安全或者過于保守。

（3）隨著橫撐道數(shù)的增加，縱向計算長度系數(shù)不變，橫向計算長度變小。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮墩高、施工便利、剛度、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性等因素，合理設(shè)置橫撐數(shù)量。