連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩形式比較

連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩形式比較概述連續(xù)剛構(gòu)墩柱與梁體的彎矩分配決定于兩者的相對(duì)剛度，而梁體的收縮、徐變及溫度應(yīng)力與剛構(gòu)墩柱的抗推剛度也直接相關(guān)。合適的剛度比既能滿足全橋的縱向剛度，又能盡可能的改善梁體內(nèi)力分布，充分發(fā)揮材料的受力性能，達(dá)到節(jié)約投資、增大跨徑的目的。因此確定合適的墩梁剛度比是連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容。顯然，盡量減少梁體自重是設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。為此，首先要在滿足施工、運(yùn)營(yíng)各階段結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力構(gòu)造要求的前提下確定梁體截面的最小尺寸，而理想的墩柱除滿足結(jié)構(gòu)以及施工、運(yùn)營(yíng)階段的最小縱、橫向剛度要求外，應(yīng)盡可能使其具有較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度，墩柱的結(jié)構(gòu)形式也正是從這方面考慮確定的。當(dāng)墩柱較矮時(shí)，顯然雙壁柔性墩是滿足上述條件的好形式。雙壁豎向提供的反力能夠削減梁體力矩的峰值，雙壁間保持一定的距離，構(gòu)成較大的整體抗彎剛度，同時(shí)其縱向抗推剛度較小，可減小墩柱對(duì)中跨梁體的約束，因此，早期連續(xù)剛構(gòu)中一般多采用雙壁墩柱的結(jié)構(gòu)形式。但雙壁墩也并非是連續(xù)剛構(gòu)的唯一合理的墩柱形式。是否合理，主要取決于與客觀條件是否相匹配。當(dāng)墩柱較高時(shí)，除非采用其它的結(jié)構(gòu)措施，如在雙壁間設(shè)置縱向橫聯(lián)或在邊跨梁端設(shè)置固定支座，否則單純以加大雙壁的截面尺寸來(lái)滿足其施工和運(yùn)營(yíng)時(shí)的縱向墩頂位移的限值是很不經(jīng)濟(jì)的。二、主墩的形式連續(xù)剛構(gòu)橋主墩的形式主要有豎直雙肢薄壁墩和豎直單肢薄壁墩，采用V形墩等其他形式較少，且跨徑也不大，如廣東中山東明大橋采用了V形墩設(shè)計(jì)，主跨僅為90m。豎直雙肢薄壁墩是在墩位上有兩個(gè)相互平行的墩壁與主梁固結(jié)的橋墩。它可增加橋墩剛度，同時(shí)其抗推能力小，在橋梁縱向允許的變位大，不僅可以減小梁墩頂負(fù)彎矩，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配更趨合理，而且由于其為雙墩柱，墩頂負(fù)彎矩的峰值也不像單肢墩出現(xiàn)在支點(diǎn)中心，它的峰值出現(xiàn)在兩支墩的墩頂，峰值也較單肢墩小得多，兩支墩之間負(fù)彎矩為下凹的曲線，可減小墩頂截面的尺寸，充分發(fā)揮材料的受力性能，增加橋梁美感。因此在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中是理想的柔性墩，能支撐上部結(jié)構(gòu)，保持橋墩穩(wěn)定性，適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)位移的需要。豎直單肢薄壁墩是在墩位上只有一個(gè)截面形式為空心或?qū)嵭牡摹耙弧弊中尉匦谓孛婊蛳淞航孛娴臉蚨?。單肢薄壁墩與雙肢薄壁墩相比，一般說(shuō)來(lái)，單薄壁墩特別是箱形截面單薄壁墩的抗扭性能好，抗推能力強(qiáng)，但其柔性不如雙薄壁墩，雙薄壁墩的綜合抗彎剛度大，整體穩(wěn)定性好，墩身允許的水平位移較大，但隨著墩身高度的不斷增加單薄壁墩的柔性逐漸增強(qiáng)，允許的縱向變位增大。因此，對(duì)于墩身很高的大跨連續(xù)剛構(gòu)來(lái)說(shuō)，箱形單肢薄壁墩也是理想的墩身形式之一。在高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋中也經(jīng)常采用豎直單薄壁墩。三、單柱式墩與雙柱式墩的對(duì)比分析：1、單柱式墩與雙柱式墩的抗推剛度對(duì)比由連拱簡(jiǎn)化計(jì)算研究表明，墩頂彎矩對(duì)柔性墩水平位移影響不大，在主墩尺寸的擬定階段，可近似將主墩按下端固結(jié)，上端自由的懸臂柱（圖一）進(jìn)行討論。圖（一）主墩的簡(jiǎn)化形式柱的應(yīng)變能U=∫M2/2EIdxM=-P·xU=1/2EI∫(-P·x)2dx=P2l3/6EI自由端由P產(chǎn)生的位移δ，可采用卡期提里阿諾第二定理，將U對(duì)P求偏導(dǎo)數(shù)得出，δ=Pl3/3EI當(dāng)縱向位移δ=1時(shí)，P=3EI/l3即為產(chǎn)生單位水平位移時(shí)所引起的作用力，也稱(chēng)剛度影響系數(shù)，或常稱(chēng)為抗推剛度K=3EI/l3為了便于對(duì)比采用了實(shí)心矩形截面，設(shè)單柱式墩截面尺寸為B*2H，雙柱式墩截面尺寸為B*H，墩高均為l，如圖（2）圖（二）單柱式墩與雙薄壁墩的截面形式對(duì)單柱式墩，其順橋向抗推剛度為：Ka=3EI/l3=2EBH3/l3對(duì)雙柱式墩，其順橋向抗推剛度為：Kb=3EI/L3=EBH3/2l3Ka/Kb=4由此可見(jiàn)，對(duì)于同樣截面尺寸的橋墩，單柱式橋墩的順橋向抗推剛度是雙柱式橋墩的4倍。因此，雙柱式橋墩的連續(xù)剛構(gòu)橋能有效的減小由于溫度、混凝土收縮、徐變和順橋向地震而引起的影響。故連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用雙柱式橋墩而不采單柱式橋墩。2、單柱式墩與雙柱式墩的順橋向慣性矩比較：由圖（2）可得單柱式橋墩順橋向慣性矩為：I1=B(2H)3/12=0.667BH3雙柱式橋墩順橋向慣性矩為：I2=2BH3/12+2BHr2當(dāng)r=1H、2H、3H、4H帶入上式得：?jiǎn)味张c雙墩順橋向慣性距的比較表2-1r值I1I2/I1H2.167BHH3.252H8.167BHH12.243H18.167BBH27.244H32.167BBH48.23因此，雙柱式橋墩能有效的保證特大跨徑橋梁在懸臂施工階段的安全性。3、薄壁橋墩設(shè)計(jì)尺寸的計(jì)算由以上可見(jiàn)，雙薄壁墩的順橋向抗推剛度是單柱式橋墩的1/4，能有效的減小溫度、混凝土收縮徐變、順橋向地震力等因素的影響。在橫向抗扭能力方面，雙薄壁橋墩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單柱式橋墩，能夠滿足橫向抗風(fēng)要求，增加施工的安全性。從整體性能來(lái)說(shuō)，續(xù)剛構(gòu)橋的雙薄壁橋墩優(yōu)于單柱式橋墩。因此，以下將討論如何確定雙薄壁墩的截面尺寸。在連續(xù)剛構(gòu)橋中，橋墩除了需要滿足一定的強(qiáng)度外，還需要滿足上部結(jié)構(gòu)由于溫度變化、混凝土收縮徐變和地震橫向力所需的剛度要求，在懸臂施工中，要產(chǎn)生非平衡彎矩，對(duì)橋墩要求具備一定的抗彎剛度。順橋向?qū)挾萣的確定在主墩尺寸擬訂的階段，可近似將主墩按下端固結(jié)，上端自由懸臂柱進(jìn)討論。有上述可知，連續(xù)剛構(gòu)橋的抗推剛度為3EI/l3，連續(xù)剛構(gòu)橋的主墩是偏心受壓柱，墩身面積要滿足強(qiáng)度要求而不能過(guò)小，一般是在滿足強(qiáng)度要求的前提下來(lái)減少其抗推剛度。根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋主墩的受力特點(diǎn)，找出縱橋向雙薄壁墩所需寬度b?，F(xiàn)設(shè)空心雙薄壁墩截面，橫橋向外內(nèi)寬度分別為a和a’，縱橋向外內(nèi)寬度分別為b和b’，兩薄壁墩實(shí)心橋墩中心間距為H，如圖（3），a’=0,b’=0時(shí)為實(shí)心橋墩。圖（3）雙薄壁墩的截面尺寸雙薄壁墩寬度b的確定應(yīng)根據(jù)溫度變化、混凝土收縮徐變及地震力引起墩頂縱橋向位移最大者進(jìn)行計(jì)算，在工程實(shí)際中常以溫度變化位移為最大，由此，根據(jù)溫度變化最大位移計(jì)算所需的雙薄壁墩的順橋向?qū)挾?。b.=Pl3/3EI=2Pl3/E(ab3-a’b’3)L/2=2Pl3/E(ab3-a’b’3)式中：l為主墩高;L為上部主梁長(zhǎng)度；P為由溫度變化在墩頂產(chǎn)生的水平力。按經(jīng)驗(yàn)采用，a-a’=100cm,b-b’=100cm,由上式可得出b。壁墩間距H的確定在施工中，不可避免的要出現(xiàn)不平衡彎矩，按實(shí)際施工中出現(xiàn)的不平衡彎矩ΔM確定H，為滿足不平衡彎矩，所需兩薄壁式中：，其中：計(jì)算時(shí)不平衡重力一側(cè)為最重塊件理論重力的1.2倍，另一側(cè)為最重塊件理論重力的0.8倍；一個(gè)掛籃及施工機(jī)具設(shè)備何在按最大懸澆塊件重力的0.4倍計(jì)算。由不平衡最大彎矩，可計(jì)算出兩薄壁合理間距H。四、結(jié)論對(duì)于同樣截面尺寸的橋墩，單柱式橋墩的順橋向抗推剛度是雙柱式橋墩的4倍。因此，雙柱式橋墩的連續(xù)剛構(gòu)橋能有效的減小由于溫度、混凝土收縮、徐變和順橋向地震而引起的影響。而且雙柱式橋墩的橫橋