预制组合箱梁桥墩顶位移极限值研究

预制组合箱梁桥墩顶位移极限值研究
发布时间：2022-09-19T08:23:00.261Z 来源：《工程建设标准化》2022年10期作者：项峰
[导读] 通过对预制组合箱梁桥建立三维精细化有限元模型，分析桥墩位移对桥梁上部结构产生的影响
项峰
深圳高速公路集团股份有限公司 518000
摘要：通过对预制组合箱梁桥建立三维精细化有限元模型，分析桥墩位移对桥梁上部结构产生的影响，确定墩顶位移限值，提出广深沿江高速公路桥梁结构安全控制标准，不仅为保障广深沿江高速公路运营期的安全提供技术支撑，同时也为涉及既有桥梁项目的设计提供参考。

关键词：预制组合箱梁桥；墩顶位移限值；有限元模型；结构安全
Research on the limit value of top displacement of prefabricated composite box girder bridge pier
Xiang Feng
(Shenzhen Expressway Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, Guangdong)
Abstract: By establishing a three-dimensional refined finite element model of the prefabricated composite box girder bridge, analyzing the influence of the pier displacement on the superstructure of the bridge, determining the displacement limit of the pier top, and proposing the bridge structure safety control standard of the Guangzhou-Shenzhen expressway along the river, not only for the protection of Guangzhou-Shenzhen It provides technical support for the safety of the Yangtze River Expressway during the operation period, and also provides reference for the design of existing bridge projects.
Key words: Prefabricated composite box girder bridge; pier top displacement limit; finite element model; structural safety
1 引言
在高速公路桥梁的设计建造中，墩台的竖向沉降和水平位移是需要特别关注的参数之一。

墩台的不均匀沉降会在桥墩支座位置产生变坡点，其在水平方向的位移将使桥面发生水平转折。

过大的墩台位移一方面会使桥面不够平顺，影响行车的安全和舒适度，另一方面也会使桥梁结构产生附加应力以致影响到桥梁的安全。

因此，需要对桥梁墩台的沉降及水平位移给予一定的限值，以保证墩台发生位移后，不至于影响到桥梁的安全及车辆的安全行驶。

对于墩顶沉降，一般规范中所列的不均匀沉降差限值均是基于简支梁桥的工况，对于超静定结构桥梁墩台间不均匀沉降差值，规范中要求根据沉降差对结构产生附加应力情况进行确定。

对于桥梁墩顶位移的限值，一些学者进行了相关研究。

孙树礼等人[1]（2005）比较了国内外部分铁路桥梁墩顶横向位移的限值，通过统计分析3条既有铁路线的墩顶位移值，建议使用相邻结构物水平折角来表示桥墩横向水平位移限值。

郭新伟[2]（2012）对根据梁端水平折角限值反算桥梁墩顶横桥向水平位移控制值进行了研究，并针对高速铁路常用跨度连续梁提出修正的反演算法。

虽然，一些学者对桥梁墩顶水平位移限值做了一定的研究，但关于公路超静定桥梁墩顶水平向位移的研究还较少，无法满足工程应用的需求[3]。

鉴于此，本文对预制组合箱梁桥，建立精确的三维有限元模型进行数值模拟分析，确定墩顶位移限值，确定结构安全控制指标。

2 研究思路
按照竣工图纸，建立桥梁结构三维有限元模型；将公路Ⅰ级设计荷载施加在有限元模型上，设置无基础变位、桥墩沉降和墩顶发生横向水平位移三种工况，并使用《公路桥涵设计通用规范》[4]所规定的荷载组合方式，考虑正常使用极限状态和承载能力极限状态，进行结构安全验算；若结构在桥墩变位情况下不安全，则减小位移值，再次验算，直到结构验算通过，得到极限位移值。

技术路线如下图1所示。

图1 桥梁结构安全控制值数值模拟研究技术路线图
3 墩顶位移极限值研究
3.1 桥梁概况
广深沿江高速公路（深圳段一期工程）设计速度为100km/h，双向八车道，行车道宽度2×4×3.75m，路基宽41m，桥梁宽40.5m，设计荷载为公路-Ⅰ级。

分析选用的是大铲湾特大桥第8联，该桥为5×30m的预制组合箱梁桥，主桥左右幅分离布置，单幅桥宽19.85m，桥型布置见
图2。

结构体系为先简支后连续。

图2 预制组合箱梁桥桥型图
单幅桥主梁为5片小箱梁，分为边跨边梁、边跨中梁、中跨边梁和中跨中梁。

梁高1.8m。

边跨预制宽度3.525m，中梁预制宽度3.2m，湿接缝标准宽度0.75m。

预制组合箱梁顶部厚度20cm，跨中底板厚度24cm，支座附近底板厚度30cm，跨中腹板厚度24cm，支点附近腹板厚度32cm。

悬臂端部厚度20cm，根部厚度30cm，横断面布置见图3。

过渡墩采用TQZ(NS)800SX/DX，主墩采用TQZ(NS)1500SX/DX。

图3 预制组合箱梁桥横断面图
3.2基本假定
3.2.1计算荷载（作用）取值
（1）结构重力
◆自重：混凝土构件容重考虑1.04的提高系数，取26kN/m3；
◆横隔板、横梁以节点荷载形式施加于横隔板、横梁位置。

（2）二期恒载
◆二期恒载按10cm沥青混凝土铺装，根据实际计入。

（3）混凝土收缩徐变
◆收缩龄期：3天；
◆收缩天数：按1000 天考虑。

（4）温度作用
◆整体升降温：整体升温20℃，整体降温20℃；
◆主梁梯度温度：10cm沥青混凝土铺装按规范要求，梯度升温T1=14℃，T2=5.5℃，降温为升温一半。

（5）车辆荷载
◆汽车荷载，桥梁等级为公路Ⅰ级；
◆汽车冲击力按《公路桥涵设计通用规范》第4.3.2条取用，结构基频按动力特性分析数据取用。

3.2.2荷载组合
按照《公路桥涵设计通用规范》和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[5]的相关规定进行组合，考虑承载能力极限状态和正常使用状态下的各种组合，同时还考虑进行构件应力验算的组合：
组合1：持久状况承载能力极限状态，采用基本组合；
组合2：持久状况正常使用极限状态，采用频遇组合（短期效应组合）；
组合3：持久状况正常使用极限状态，采用准永久组合（长期效应组合）；
组合4：使用阶段（持久状况构件应力验算），采用标准值组合。

7)构件裂缝宽度控制类型：主梁按部分预应力A类构件控制。

3.3 计算模型
本次计算采用有限元分析软件midas civil，根据竣工图进行建模。

采用梁格法进行建模，模型共789个梁单元及540个节点。

预应力钢束也均按照设计线型模拟。

图4 预制组合箱梁桥有限元模型3.4 主要构件材料及性能
（1）混凝土混凝土弹性模量和设计强度按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》取用。

主梁采用C50混凝土，其主要特性如下：表1 混凝土的物理性质指标强
度等级弹性模
量(MPa)
容重
线膨胀
系数
C503450025.000.00001032.40 2.6522.40 1.83（2）普通钢筋
表2 钢筋的物理性质指标
普通钢筋弹性模
量(MPa)
容重
R23521000076.98235195195
HRB33520000076.98335280280
（3）预应力钢筋
腹板束、顶底板束采用φs15.2-5、φs15.2-6、φs15.2-7预应力钢绞线，钢绞线采用《预应力混凝土用钢绞线》规定的低松弛钢绞线，公称直径15.20mm，弹性模量为1.95×105MPa，标准强度1860MPa，钢绞线的锚下控制张拉应力为1395MPa。

钢绞线采用塑料波纹管，
k=0.0015，μ=0.17。

3.5 施工阶段划分
（1）步骤1：预制主梁，张拉正弯矩区预应力钢束。

（2）步骤2：设置临时支座并安装好永久支座，主梁放置于临时支座上成为简支状态。

（3）步骤3：浇筑连续接头、中横梁及其两侧与顶板负弯矩束同长范围内的桥面板，张拉顶板负弯矩预应力钢束。

（4）步骤4：由跨中向支点浇筑剩余部分桥面板湿接缝，拆除临时支座。

（5）步骤5：桥面铺装及附属结构工程施工。

图5 预制组合箱梁施工流程示意图
3.6 沉降分析结果
根据图1的分析流程，考虑成桥6年，并进行支座沉降分析，按照每个地基及基础的最大沉降量的最不利的荷载组合进行计算。

根据设计资料，预制组合箱梁按全预应力构件设计，先简支后连续结构的负弯矩区按预应力混凝土A类构件设计，而根据环境要求，全桥裂缝宽度可按A类构件控制。

采用A类构件控制，最终得到差异沉降极限值为10mm，分析结果如下。

（1）支座
沉降10mm情况下，支座计算结果详见表3。

表3 支座计算结果表
位置支座型号设计容许
承载力
（kN）
计算结
果
（kN）
备
注
0#过渡墩TQZ(NS)800800733
安
全
1#桥墩TQZ(NS)150015001400安
全
2#桥墩TQZ(NS)150015001336
安
全
3#桥墩TQZ(NS)150015001336
安
全
4#桥墩TQZ(NS)150015001400
安
全
5#过渡墩
TQZ(NS)800800733
安
全
（2）持久状况承载能力极限状态验算结果
根据规范要求，桥梁构件的承载能力极限状态计算应满足γ0S≤R。

①主梁正截面抗弯承载能力验算
根据主梁计算结果，在承载能力极限状态下主梁弯矩包络图如下所示，PSC计算结果表明，各截面抗弯强度满足控制要求。

图6 承载能力极限状态下主梁弯矩包络图
②主梁斜截面抗剪承载能力验算
根据主梁计算结果，在承载能力极限状态下主梁剪力包络图如下所示，PSC计算结果表明，各截面抗剪强度满足控制要求。

图7 承载能力极限状态下主梁剪力包络图
（3）持久状况正常使用极限状态验算结果①主梁正截面抗裂验算
对于部分预应力A类构件，在作用（荷载）短期效应组合下，应符合下列条件：σst－σpc≤0.7ftk，但在荷载长期效应组合下，应符合：σlt－σpc≤0。

本桥在短期效应组合和长期效应组合下均能满足规范要求。

图8 正截面抗裂验算短期效应组合结果图9 正截面抗裂验算长期效应组合结果
②主梁斜截面抗裂验算
对于部分预应力A类预制构件，在作用（荷载）短期效应组合下，应符合条件σtp≤0.7ftk=1.86MPa。

本桥在频遇组合作用下，最大值为1.87 MPa，略大于1.86 MPa，由于差值较小可忽略不计，视为满足控制要求。

图10 主梁最大主拉应力图
（4）持久状况构件应力验算结果
持久状况构件应力验算包括持久状况下使用阶段正截面混凝土的法向压应力、斜截面混凝土的主压应力及受拉区预应力钢筋最大拉应力的验算。

由于沉降对预应力钢筋的受力状态影响很小，所以在下文中未列出预应力钢筋拉应力验算结果。

该工况混凝土压应力为按作用（或荷载）标准值组合计算得到的压应力。

①主梁正截面混凝土法向压应力验算
按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第7.1.5条验算:σkc＋σpt =13.36MPa≤0.5fck = 16.20MPa，满足规范要求。

图11 正截面混凝土法向压应力验算结果
②主梁斜截面混凝土的主压应力验算
按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第7.1.6条验算：σcp=13.36MPa≤0.6fck= 19.44MPa，满足规范要求。

图12 斜截面混凝土的主压应力验算结果
3.7水平位移分析结果
根据图1的分析流程，考虑成桥6年，并进行支座水平位移分析，按照每个支座的最大水平位移的最不利的荷载组合进行计算。

根据设计资料，组合箱梁按全预应力构件设计，先简支后连续结构的负弯矩区按预应力混凝土A类构件设计，而根据环境要求，全桥裂缝宽度可按A类构件控制。

采用A类构件控制，最终得到水平位移极限值为5mm，分析结果如下。

（1）支座
水平位移5mm情况下，支座计算结果详见表4。

表4 支座计算结果表
位置支座型号设计容许
承载力
（kN）
计算结
果
（kN）
备
注
0#过
渡墩
TQZ(NS)800800711安全
1#桥
墩
TQZ(NS)150015001377安全
2#桥
墩
TQZ(NS)150015001336安全
3#桥
墩
TQZ(NS)150015001336安全
4#桥
墩
TQZ(NS)150015001377安全
5#过
渡墩
TQZ(NS)800800711安全
（2）持久状况承载能力极限状态验算结果
根据规范要求，桥梁构件的承载能力极限状态计算应满足γ0S≤R。

①主梁正截面抗弯承载能力验算
根据主梁计算结果，在承载能力极限状态下主梁弯矩包络图如下所示，PSC计算结果表明，各截面抗弯强度满足控制要求。

图13 承载能力极限状态下主梁弯矩包络图
②主梁斜截面抗剪承载能力验算
根据主梁计算结果，在承载能力极限状态下主梁剪力包络图如下所示，PSC计算结果表明，各截面抗剪强度满足控制要求。

图14 承载能力极限状态下主梁剪力包络图
（3）持久状况正常使用极限状态验算结果
①主梁正截面抗裂验算
对于部分预应力A类构件，在作用（荷载）短期效应组合下，应符合下列条件：σst－σpc≤0.7ftk，但在荷载长期效应组合下应符合：σlt －σpc≤0。

本桥在短期效应组合和长期效应组合下均能满足规范要求。

图15 正截面抗裂验算短期效应组合结果
图16 正截面抗裂验算长期效应组合结果
②主梁斜截面抗裂验算
对于部分预应力A类预制构件，在作用（荷载）短期效应组合下，应符合条件σtp≤0.7ftk=1.86MPa。

本桥在频遇组合作用下，最大主拉应力为1.55MPa，满足规范要求。

图17 主梁最大主拉应力图
（4）持久状况构件应力验算结果
持久状况构件应力验算包括持久状况下使用阶段正截面混凝土的法向压应力、斜截面混凝土的主压应力及受拉区预应力钢筋最大拉应力的验算。

由于沉降对预应力钢筋的受力状态影响很小，所以在下文中未列出预应力钢筋拉应力验算结果。

该工况混凝土压应力为按作用（或荷载）标准值组合计算得到的压应力。

①主梁正截面混凝土法向压应力验算
按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第7.1.5条验算:σkc＋σpt = 12.28MPa≤0.5fck = 16.20MPa，满足规范要求。

图18 正截面混凝土法向压应力验算结果
②主梁斜截面混凝土的主压应力验算
按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第7.1.6条验算：σcp = 12.28MPa≤0.6fck = 19.44MPa，满足规范要求。

图19 斜截面混凝土的主压应力验算结果
4 结论与展望
4.1结论
（1）对预制组合箱梁桥进行支座沉降分析及支座水平位移分析，最终得到桥梁墩顶位移限值：沉降10mm，水平位移5mm。

为保证桥梁结构的安全，参考相关规范的控制值安全系数取值规律，可选用不小于2的安全系数，最终确定桥梁结构安全控制标准: 沉降5mm，水平位移2.5mm。

（2）对广深沿江高速公路大铲湾特大桥第8联的实例分析，本文方法得到的沉降限值较目前的相关规范更严格，并给出了水平位移限值。

4.2展望
本文所使用的方法，可推广到其他高速公路桥型上，继而得到相关位移限制，并提出高速公路桥梁位移安全控制标准体系。

参考文献：
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[5]GB/T 5224—2003，预应力混凝土用钢绞线[S].
[6]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
作者简介：项峰 1992.07 男湖北麻城汉本科助理工程师深圳高速公路集团股份有限公司研究方向:路桥方向。