40mT梁高墩结构计算分析探讨

漆亮

摘要：高架桥等在工程中的广泛应用，使得桥墩高度不断增加，合理地建立高墩计算模型，及准确对高墩结构的计算分析，对于高墩结构设计相当重要。本文通过结合某T梁高墩实例，提出准确的高墩结构模型建立，对其进行详细的计算分析，为同行提供参考。

关键词：桥梁设计；高墩结构；计算模型；稳定分析

Abstract:viaduct in the extensive applications such as engineering, make high bridge pier continuously increased, reasonably establish high piers of calculation model, and accurate to the structure of high piers calculation and analysis for high piers of structure design is quite important. This article through the connecting with a high DunShi T beam an example, this paper put forward the accurate high piers structure model, and carry on the detailed analysis and calculation to provide reference for counterparts.

Key words:Bridge design; High piers structure; Calculation model. Stability analysis

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引言

对于T梁采取先简支后墩梁固结矩形空心墩，其高墩计算模型的正确建立，及其关键部位的计算分析，对于准确设计桥梁高墩相当重要。结合实践，对于高墩的关键计算主要包括：盖梁、桥墩、承台和桩基。同时对高墩结构的计算分析主要是针对桥墩强度和裂缝计算、桥墩位移计算、桥墩运营阶段应力计算、桥墩局部稳定计算、桥墩整体稳定计算、盖梁计算、承台计算、桩基计算、桥墩抗震计算等。下文将针对这些对高墩结构的计算分析进行深入探讨。

工程概况

本项目为某高速公路40mT梁矩形墩，本合同段主线整体式和分离式桥梁均与路基同宽。标准段采用六车道整体式路基宽度为33.5m，整体式桥梁净宽为2×净-16.5m，分离式桥梁净宽为1×净-16.5m。

该桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级，地区场地地震动加速度峰值为0.05g，抗震设防烈度为6度，根据《公路桥梁抗震设计细则》，抗震设防类别为B类，抗震设防措施等级为7度。桥梁结构设计基准期为100年。桥梁宽度采取主线整体式和分离式桥梁均与路基同宽；标准六车道整体式路基宽度为33.5m，整体式桥梁净宽为2×净-16.5m，分离式桥梁净宽为1×净-16.5m。

高墩结构计算模型建立

3.1模型的建立

对于本高墩结构采用Midas Civil 2010软件进行计算，根据不同墩高，取2x(4x40m)两联整体建模。上部按梁格法建模，纵梁之间采用横向联系梁进行联接，横向联系梁根据实际情况采用对称、非对称T形截面。墩梁固结处梁、盖梁之间的连接采用刚性连接；结构连续或边墩处采用铰接连接，其刚度采用板式橡胶支座的抗压、抗剪切刚度。计算结构内力时按桩基为20m进行模拟，计算所用m值和岩石地基抗力系数C0均参考实际地质条件偏保守取值。主桥整体计算和地震力计算采用MIDAS2010软件，结果验算采用桥梁通；盖梁计算采用桥梁博士3.0。高墩所建立的计算模型及其参数选取见表1所示。主桥上部结构根据实际截面尺寸建模，模型离散图见图1，计算施工阶段时，架梁两孔时进行计算，离散图见图2。

表1计算模型及参数选取

图1成桥阶段 图.2施工两孔阶段

3.2高墩构件构造

本工程所采取的桥墩尺寸见表2所示，墩顶、墩底实体段2m，变化段3m，倒角半径50cm，基础采用桩基础，按嵌岩桩进行设计(不考虑冲刷)。地基土的m值按硬塑黏性土取值，m=8000(kN/m4)，桩底岩石饱和抗压强度值fcr=20MPa，桩基长度取20.0m，嵌岩深度取2.0m，桩基按弹性桩进行计算。

表2下部结构主要构造尺寸表(标准六车道，半幅桥宽16.5m)

3.3参数选取

汽车荷载采用公路I级车道荷载，半幅车道分别按左偏4个车道、右偏4个车道及对称4个车道布置，以求出活载产生的最不利内力。车道加载时的横向折减系数按规范取值。整体温度荷载取值：整体升温25℃；整体降温25℃；梯度温度荷载取值：上部结构梯度温度荷载按规范取值，考虑5cm的混凝土铺装折减，梁部梯度温度荷载取值为：17～6.7～0°C (梯度升温)，-8.5～-3.75～0°C (梯度降温)；空心墩及实心墩墩身截面顺桥向及横桥向梯度温度荷载取值为：5℃～0℃(梯度升温)，-5℃～0℃(梯度降温)。设计基本风速V10=24.2m/s，风载阻力系数k1根据《通用规范》取值，梁部和盖梁根据《通用规范》公式4.3.7-6计算，桥墩根据《通用规范》表4.3.7-6取值；风速高度变化修正系数K2按不同高度取值，风荷载按梯形加载；地形地理条件系数k3按峡谷口、山口取值；B类地形，k5=1.38；设计风速重现期换算系数k0成桥阶段取1，施工阶段取0.75。支座沉降量按10mm计算，一联内最少考虑一个墩的沉降、最多考虑全部墩均沉降，由程序自动计算最不利内力值。另外，桥墩的计算长度选取见表3所示。

表3桥墩的计算长度表(L0 为墩实际高度)

高墩结构计算结果分析

（1）从高墩结构设计表明，对于桥墩在承载能力极限状态下的强度应满足《公桥规》中的5.3.2~5.3.12规定，桥墩在短期效应组合下裂缝应满足《公桥规》中的6.4.2~6.4.4规定，本工程高墩在成桥阶段强度与裂缝均满足要求。

（2）施工阶段强度验算。由于边墩施工阶段荷载小于成桥阶段，计算长度取值相同，故无需计算边墩施工阶段。对16.5宽强度与裂缝验算结果表明，中墩在顺桥向距墩底距离0m情况下，其轴力为28752kN，而结构抗力为33247kN，富余度达到15.6%；组合弯矩为31105 kN.m，结构抗力弯矩为35967 kN.m，富余度达到15.6%。横桥向距墩底距离0m情况下，其轴力为33672kN，而结构抗力为98705 kN，富余度达到193.1%；组合弯矩为30445kN.m，结构抗力弯矩为89246kN.m，富余度达到193.1 %。由以上可知，施工阶段强度满足要求。

（3）对高墩采取双向偏心受压构件计算，其中65m墩高轴力最大工况下，抗压强度设计值Nu0为235348 kN，偏心受压承载力设计值Nux为144054 kN，满足规范规范5.3.12右项设计要求。弯矩-z最大工况下，抗压强度设计值Nu0为235348 kN，偏心受压承载力设计值Nux为186450kN，满足规范规范5.3.12右项设计要求。

（4）桥墩位移验算。在高墩施工阶段墩顶位移应按≤7cm×1.2=8.4cm控制，而在运营阶段墩顶位移则应按≤7cm控制。短期荷载组合下成桥位移，纵桥向墩顶位移(mm)最大值为68.1mm，梯度降温位移(mm)下最大位移为11.8mm，升温25度位移(mm)最大值为11.4mm，计算横桥向墩顶位移(mm)最大值为44.6mm，梯度降温位移(mm)最大值为56.5mm，所有高墩在短期荷载组合下成桥位移满足要求。

（5）桥墩局部稳定计算。本工程高墩墩壁厚度δ(mm)为500mm，箱室宽度为6000mm，弹性模量E为33500 Mpa，K取0.00058 ，计算出墩壁临界应力 σc=4π2EK= 765.4 Mpa，C40砼轴心抗压标准强度标准值fck为26.8 Mpa，因为σc>>fck故桥墩不会有局部失稳问题。

（6）桥墩整体稳定计算。在成桥运营阶段，墩底轴力为32461 kN，墩底剪力为157 kN，屈曲模态采取纵向侧倾，计算出稳定特征值为23.38，稳定特征值都大于5，满足要求。在施工阶段稳定性验算，墩底轴力为27224 kN，墩底剪力为778 kN，屈曲模态采取纵向侧倾，计算出稳定特征值为12.23，稳定特征值都大于5，满足要求。

结语

文章中以大庆至广州高速公路粤境连平至从化段40mT梁矩形高墩计算为例，简要介绍高墩设计的尺寸及参数，提出高墩结构计算模型的建立，对高墩强度、位移及其稳定性进行验算，得出满足相关规范要求的高墩设计，供类似工程参考。

参考文献：

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[2] 曾照亮．高墩计算长度探讨[J]．中外公路，2009，27（11）：31~33．

[3]  张明．连续梁桥空心高墩设计[J]．甘肃科技，2007，31（09）：57~58．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。