钢管混凝土组合格构柱高墩大跨连续刚构桥非线性研究
占玉林1,赵人达1,徐腾飞1,唐承平2
(1.西南交通大学桥梁工程系,四川成都 610031;
2.四川雅西高速公路有限责任公司,四川雅安 625000)
摘 要:腊八斤特大桥是雅泸路上一座高墩大跨连续刚构桥,该桥在国内首次提出并采用了钢管混凝土组合格构柱高墩。考虑钢管混凝土组合格构柱截面的组合性能,建立了三维非线性数值计算模型。按照桥梁施工过程,进行了施工状态和成桥状态的非线性研究。计算结果表明,钢管混凝土组合格构柱高墩具有较大的刚度,横向联系能明显减小桥梁的横向变形。
关键词:高墩大跨连续刚构桥;钢管混凝土;组合格构柱;非线性;横向联系;刚度
中图分类号:TU528·59 文献标识码:A 文章编号: 1008-1933(2009)06-038-04
0 前 言
混凝土连续刚构桥对于适应桥梁在地理、地质及交通运输方面具有独特的优越性,尤其在山区高等级公路中应用较为广泛[1-3]。纵观目前大量已建或在建的连续刚构桥,主要的形式为由混凝土桥墩和混凝土主梁组成的预应力混凝土连续刚构桥。这种结构形式较大的优点是就地取材,造价低。但是,桥墩的高度受限,过高的桥墩带来较强的非线性效应,且不利于在高地震烈度区应用,对于桥梁施工和应用均有一定限制。另外,结构的外观尺寸及美观效果也由于结构受力的限制而大打折扣,桥梁往往体型较大。在建的雅泸(雅安至泸沽湖)高速公路是交通部西部示范工程,所穿越的地带高山、峡谷众多,地质、地形、地貌条件极为复杂,且处于地震高烈度区。在综合考虑各种因素的基础上,工程设计人员提出了一种新型组合格构柱高墩。其主要的设计思路是利用钢管混凝土受压时的增强效应来减小截面尺寸,而为了将钢管混凝土柱连成整体,在钢管混凝土柱之间设计了连接剪力墙(截面形式见图1),其中最高的桥墩高达183 m左右,主跨200 m。这种结构形式目前没有设计规程可以参考,在国内是首次采用,没有工程经验可以借鉴。为了研究这种结构形式连续刚构桥的结构行为,笔者所在研究小组以雅泸路腊八斤大桥为研究对象,开展了组合格构柱超高墩连续刚构桥的非线性研究。且考虑到高墩主要的非线性表现在空间几何方面,所以分析时以几何非线性为主。为叙述方便,从内侧到外侧,依次命名为核心混凝土、钢管和外包混凝土。
1 基本概况
腊八斤大桥位于雅泸路荥经县石滓乡跨腊八斤沟的一座特大桥,主跨为200 m的连续刚构桥。主梁采用预应力混凝土箱梁,桥墩采用钢管混凝土格构柱,最高墩183 m。在10号墩至桥台区域为平面曲线,曲线半径2500 m。对于主梁等截面形式与常规预应力刚构桥没有区别,不作叙述。此处重点介绍桥墩截面形式,其典型截面形式如图1所示。
主梁采用C60级混凝土,桥墩为钢管混凝土格构柱桥墩,钢管内混凝土采用C80,外包C30混凝土。混凝土材料性能按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[4]取值,桥墩钢材按照《钢管混凝土结构技术与施工规程》[5]和《矩形钢管混凝土结构技术规程》[6]综合考虑取值。材料特性见表1。
2 计算理论
2.1 连续刚构桥非线性计算理论
连续刚构桥进行非线性计算时,通常是采用荷载增量迭代的方法进行,即把荷载分为若干级差的荷载增量{ΔF}i(i=1,2,3,…, n)。对于每一荷载步内,通常按线性处理,即在足够小的荷载步长内,采用线性解答,来达到近似非线性处理的效果。表达成数学方程即有[7-9]
[K]i-1{δ}i={ΔF}i
式中 [K]i-1为第i-1加载结束时的刚度矩阵;{δ}i为第i级荷载加载后的位移向量; {ΔF}为第i级加载时的荷载矩阵。
结构的刚度矩阵需要考虑大变位对刚度矩阵的影响,可以表示为[10]
[K]i=[KG]i+[KL]i
式中 [KG]为结构的几何刚度矩阵; [KL]为结构大位移对几何刚度矩阵的影响项,描述大位移对刚度矩阵的影响,其具体形式见相关文献。
对于分步迭代,通常可以采用的分析方法有牛顿—拉普逊方法和弧长法。
2.2 组合格构柱
钢管混凝土对于改善细长构件的稳定问题发挥着良好的作用,目前多用于单层工业厂房和大跨度拱桥中,而在连续体系桥梁中的应用较少。本文采用的格构组合柱在传统概念的钢管混凝土的基础上,在钢管外侧再设计一定厚度的外包混凝土,并将多根钢管混凝土柱连成整体,形成格构。在结构设计概念上综合了钢管混凝土和型钢外包混凝土两种构件的特点,所以具有新颖性。考虑全桥模型的计算工作量,本文将核心混凝土、钢管和外包混凝土三者按照组合结构的处理方式等效为一种材料进行考虑。
2.3 横向连接系
左右两幅桥相互独立,满足相互之间纵向变位的独立性。但是横向上存在稳定和横向刚度不足的弱点,为此,在桥墩之间设置横向连接系。横向连接系将两幅桥的墩连成一个刚构体系,类似门型刚构的受力模式。横向联系的布置如图2所示,计算模型中采用梁单元来考虑横向连接系的作用。为了比较,分别进行了有无横向连接系的计算结果分析。
3 计算模型
结构受到的荷载主要有一期恒载、二期恒载和车道荷载。在最大悬臂施工状态,结构受到一期恒载与施工荷载作用。根据《公路桥涵设计通用规范》的相关规定,主要荷载包括如下:①一期恒载;②二期恒载;③车道荷载;④施工荷载。荷载组合情况如下:
LCB1(最大悬臂施工状态):①+④
LCB2(成桥承载能力极限状态):①+②+③
车道荷载的折减系数、冲击作用的考虑,均按照规范相应规定进行。
按照极限状态分析方法,分别建立LCB1和LCB2两种不同状态的空间分析模型,其模型如图3所示。限于篇幅,不设置中间连接系的计算模型,本文不再叙述。
4 计算结果与分析
计算过程中对坐标系的规定如下:以桥梁的纵向为X轴,以高程方向为Y轴,Z轴的方向遵循右手法则,即Z轴方向为横桥向。
4.1 最大悬臂状态
悬臂施工中最大悬臂状态是一个比较不利的状态,计算结果分别比较了不同墩在最大悬臂状态时的计算结果,其中包括直线墩和曲线墩。而为了反映横向联系的作用,并有意识地比较了单幅桥和双幅桥的计算结果。
表2, 3分别给出了位于直线和曲线区域的墩及其对应的墩梁最大悬臂状态的挠度计算结果。从表2可以看出,直线区域的梁在最大悬臂状态时不发生横向位移,主要的挠度集中在竖直方向。单幅桥在恒载及施工荷载作用下竖向位移约62 cm,而双幅桥相对略有增大,达到69 cm。而几何非线性对竖向挠度的在单幅桥和双幅桥时分别为0·65%和0·27%,几乎可以忽略不计。从表3可以看出,不论是单幅桥还是双幅桥,非线性因素对纵向位移的影响程度在13%左右;但是对竖向变形的影响基本都在0%左右,可以忽略。单幅桥的横向位移增量比值为96·54%,而双幅桥则为13·35%,二者相差较大,说明非线性对曲线上最大悬臂桥梁的施工影响十分显著。综合比较表2, 3可以发现,几何非线性或结构几何属性差异(直线或曲线)对最大悬臂施工时的影响主要集中于横桥向,几何非线性对竖向挠度增量的影响较小,而曲线因素对横桥向影响较突出,几何非线性和曲线存在耦合效应,从另一个侧面反映了横向联系对横桥向的作用是比较明显的。
4.2 成桥状态
图4给出了成桥状态双幅桥的位移计算结果,从中可以看出,尽管在边跨部分存在平面曲线,但是由于约束及支撑的相互作用效应,桥梁的空间位移仍然以竖向变形为主,横向和纵向位移较小。说明在成桥状态下,由于约束的增强,曲线半径较大(R=2500 m)的曲线高墩非线性不明显,可以简化为平直线形式桥梁进行计算,简化计算程序。
表4给出了成桥状态的控制截面的挠度计算结果,从中可以看出,跨中位置主要的变形为竖向,其值约在40 cm左右,相对于施工中的最不利状态,位移值较小,说明几何非线性对高墩大跨桥梁的影响明显地反映在施工过程中。而墩顶位置位移较小,说明钢管混凝土组合格构柱高墩的刚度较大。综合比较单、双幅桥的计算结果,二者在位移数值上没有较大差异。与表2, 3的结果综合比较,说明横向联系对成桥状态后的受力和变形的改善作用没有最大悬臂状态明显,在一定程度上说明施工中应加强横向变形的控制。
表5给出了成桥状态控制截面的内力计算结果,从中可以看出,跨中截面考虑非线性和线弹性计算结果相差不大,而高墩的墩顶和墩底轴力和剪力的差异也较小,但是考虑非线性与否的弯矩计算结果相差较大,说明几何非线性产生的附加偏心矩给内力计算结果带来的影响。值得说明的是,其中剪力比例值也较大,但是其数值绝对值却较小,所以考虑数值计算的误差,不足以说明剪力有明显差异。
5 结 论
通过对组合钢管混凝土格构柱超高墩进行分析,可以得到以下结论:
(1)建立了组合钢管混凝土格构柱超高墩混凝土连续刚构桥的分析计算模型,为今后类似桥梁的计算的工作奠定了基础。
(2)钢管混凝土组合格构柱高墩具有较大的刚度,在施工和使用过程中,其变形较小。
(3)结合施工过程进行了组合格构柱超高墩连续刚构桥的实桥计算分析,为工程实际提供了参考。
(4)高墩非线性因素对该类连续刚构桥的突出影响体现在施工过程中,相对于成桥状态,最大悬臂状态为结构的最不利状态。
(5)在最大悬臂状态,非线性因素与桥梁的几何弯曲存在耦合效应,在施工过程中应加以注意。
(6)单、双幅桥的计算结果表明,横向连续对桥梁的横向变形起着显著的作用,但成桥后作用不明显。
参考文献:
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