连续刚构桥桥墩单、双肢构造形式的对比选择

连续刚构桥桥墩单、双肢构造形式的对比选择

【摘要】连续刚构桥纵向和横向都具有较大的刚度，适合悬臂施工，并能满足横向抗风要求；主墩与主梁固结，不需布置造价高的支座；施工也无体系转换；其跨越能力大、整体性能强、受力合理、施工方便，本文以大跨径刚构桥的主墩刚度作为研究对象，对墩的单肢与双肢构造形式进行研究比较。

【关键词】连续刚构；双薄壁墩；单柱式墩；对比分析

1、引言

连续刚构墩柱与梁体的弯矩分配决定于两者的相对刚度，而梁体的收缩、徐变及温度应力与刚构墩柱的抗推刚度也直接相关。合适的刚度比既能满足全桥的纵向刚度，又能尽可能的改善梁体内力分布，充分发挥材料的受力性能，达到节约投资、增大跨径的目的。因此确定合适的墩梁刚度比是连续刚构设计中的一个重要内容。显然，尽量减少梁体自重是设计的首要目标。为此，首先要在满足施工、运营各阶段结构和预应力构造要求的前提下确定梁体截面的最小尺寸，而理想的墩柱除满足结构以及施工、运营阶段的最小纵、横向刚度要求外，应尽可能使其具有较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度，墩柱的结构形式也正是从这方面考虑确定的。

2、主墩的形式

连续刚构桥主墩的形式主要有竖直双肢薄壁墩和竖直单肢薄壁墩，采用V 形墩等其他形式较少，且跨径也不大。竖直双肢薄壁墩是在墩位上有两个相互平行的墩壁与主梁固结的桥墩。它可增加桥墩刚度，同时其抗推能力小，在桥梁纵向允许的变位大，不仅可以减小梁墩顶负弯矩，使结构内力分配更趋合理，而且由于其为双墩柱，墩顶负弯矩的峰值也不像单肢墩出现在支点中心，它的峰值出现在两支墩的墩顶，峰值也较单肢墩小得多，两支墩之间负弯矩为下凹的曲线，可减小墩顶截面的尺寸，充分发挥材料的受力性能，增加桥梁美感。因此在预应力混凝土连续刚构桥中是理想的柔性墩，能支撑上部结构，保持桥墩稳定性，适应上部结构位移的需要。竖直单肢薄壁墩是在墩位上只有一个截面形式为空心或实心的“一”字形矩形截面或箱梁截面的桥墩。单肢薄壁墩与双肢薄壁墩相比，一般说来，单薄壁墩特别是箱形截面单薄壁墩的抗扭性能好，抗推能力强，但其柔性不如双薄壁墩，双薄壁墩的综合抗弯刚度大，整体稳定性好，墩身允许的水平位移较大，但随着墩身高度的不断增加单薄壁墩的柔性逐渐增强，允许的纵向变位增大。因此，对于墩身很高的大跨连续刚构来说，箱形单肢薄壁墩也是理想的墩身形式之一。在高墩大跨连续刚构桥中也经常采用竖直单薄壁墩。

3、单柱式墩与双柱式墩的对比分析

3.1单柱式墩与双柱式墩的抗推刚度对比

由连拱简化计算研究表明，墩顶弯矩对柔性墩水平位移影响不大，在主墩尺寸的拟定阶段，可近似将主墩按下端固结，上端自由的悬臂柱进行讨论。

柱的应变能

U=∫M2/2EIdx

M=-P·x

U=1/2EI∫（-P·x）2dx

=P2l3/6EI

自由端由P产生的位移δ，可采用卡期提里阿诺第二定理，将U对P求偏导数得出，

δ= Pl3/3EI

当纵向位移δ=1时，P=3EI/l3即为产生单位水平位移时所引起的作用力，也称刚度影响系数，或常称为抗推刚度K=3EI/l3

为了便于对比采用了实心矩形截面，设单柱式墩截面尺寸为B*2H，双柱式墩截面尺寸为B*H，墩高均为l，如图（2）

对单柱式墩，其顺桥向抗推刚度为：

Ka=3EI/l3=2EBH3/l3

对双柱式墩，其顺桥向抗推刚度为：

Kb=3EI/L3=EBH3/2l3

Ka/Kb=4

由此可见，对于同样截面尺寸的桥墩，单柱式桥墩的顺桥向抗推刚度是双柱式桥墩的4倍。因此，双柱式桥墩的连续刚构桥能有效的减小由于温度、混凝土收缩、徐变和顺桥向地震而引起的影响。故连续刚构桥一般采用双柱式桥墩而不采单柱式桥墩。

3.2单柱式墩与双柱式墩的顺桥向惯性矩比较

由图（2）可得单柱式桥墩顺桥向惯性矩为：

I1=B（2H）3/12=0.667BH3

双柱式桥墩顺桥向惯性矩为：

I2=2BH3/12+2BHr2

当r=1H、2H、3H、4H带入上式得：

单墩与双墩顺桥向惯性距的比较表1

r值I1 I2/I1

H 2.167BH 3.25

2H 8.167BH 12.24

3H 18.167BH 27.24

4H 32.167BH 48.23

因此，双柱式桥墩能有效的保证特大跨径桥梁在悬臂施工阶段的安全性。

4、薄壁桥墩设计的选择

由以上可见，双薄壁墩的顺桥向抗推刚度是单柱式桥墩的1/4，能有效的减小温度、混凝土收缩徐变、顺桥向地震力等因素的影响。在横向抗扭能力方面，双薄壁桥墩远远大于单柱式桥墩，能够满足横向抗风要求，增加施工的安全性。从整体性能来说，续刚构桥的双薄壁桥墩优于单柱式桥墩。

5、结语

结构形式的选择首要考虑的是结构的安全性和受力合理性，但在实际设计和施工中，也必须考虑不对建设成本形成浪费等因素。在选用桥梁结构形式时，应从选址、结构、经济、施工简易及美观等多方面综合考虑。

参考文献

[1]范立础主编.《桥梁工程》（上册）.北京：人民交通出版社，2001

[2]顾安邦主编.《桥梁工程》（下册）.北京：人民交通出版社，2000

[3]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）.北京：人民交通出版社，2004

[4]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）.北京：人民交通出版社，2004

[5]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）