墩高受限时装配式组合连续刚构桥墩梁固结构造及性能研究

朱虎勇，邵 帅，高燕梅,2，周志祥，2

( 1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地,重庆 400074)

装配式钢桁-混凝土(Prefabricated Steel Truss-Concrete，PSTC)组合连续刚构桥是将现有钢桁-混凝土组合梁桥与传统预应力混凝土连续刚构桥进行组合而发展成的一种新型桥梁结构[1]。该结构采用工厂预制桁架节段与混凝土桥道板，待钢桁梁安装完成后，再根据受力需要对称安装预制桥道板，桥面板间通过黏结胶及张拉纵向预应力钢束形成整体桥道板，预制桥道板全部安装到位后，焊接在桥道板中预埋的装配式剪力键竖钢板与钢桁完成联结[2-3]。该结构具有自重轻、承载力高、抗震性能好和刚度大等优点外[4-5]，由于大部分结构采用了完全预制装配式的理念，在很大程度上克服了现浇混凝土收缩徐变不定性对桥梁结构长期可靠性的不利影响，缩短工期，又使预应力全部由预制桥道板承担，提高了有效预应力度，符合世界桥梁建设发展的总趋势[6]。与常规的钢桁-混凝土组合连续梁桥相比，PSTC组合连续刚构桥可提高结构的跨越能力，同时在悬臂拼装时采用墩梁固结，简化了施工，减少了大吨位支座的使用，在综合效益上具有强大的竞争力。

常规连续刚构桥常常采用薄壁柔性墩以满足墩顶在水平力作用下可以发生较大的水平位移，墩高一般不得小于20 m[7]。但为了扩展PSTC组合连续刚构桥的适用范围，同时作为特大跨PSTC组合连续刚构桥的前期探索，选取了主跨跨径为70 m的桥梁作为依托工程，但桥位处桥墩高度受到限制，因此需要寻找一种适应于矮墩的墩梁固结方式。以往也有针对连续刚构墩梁固结形式进行的研究，干海子大桥采用主梁下弦钢管与桥墩直接焊接的方式完成墩梁固结[8]，北千曲川桥采用箱形钢主梁贯穿钢筋混凝土桥墩顶部的方式完成墩梁固结[9]。聂建国也提出了适合于组合刚构桥的墩梁联接构造[10]，如钢筋锚固式、锚杆式、钢柱结合式、局部承压式、钢板锚固式、钢套筒式等。虽然上述各种构造处理均正确有效，但并不能完全满足这种新型桥梁结构的受力要求。

本文在研究钢桁梁受力特点的基础上，结合PSTC组合连续刚构桥施工和运营阶段的受力特点，对桥墩高度受限情况下的墩梁联结合理构造进行研究，并对其进行精细化分析。

1 工程背景

1.1 工程概述

作为特大跨装配式钢桁-混凝土组合连续刚构桥的前期探索，工程为主跨跨径70 m、跨径布置为(41+70+41)m的PSTC组合连续刚构桥，见图1。分左右两幅，双幅总宽33.0 m。桥面板为分节段预制的混凝土桥道板，与钢桁梁通过剪力键焊接连接。桥墩采用双薄壁柱式混凝土墩，设计高度采用1#墩高为8.35 m、2#墩高为9.45 m的矮墩结构，为减小桥墩的横向抗推刚度，桥墩横桥向亦设计为柱式，顶部连接为整体，顺桥向壁厚取为1.0 m，双薄壁墩间净距2.0 m。

图1 PSTC组合连续刚构桥(单位：mm)

1.2 PSTC组合连续刚构桥施工方法

PSTC组合连续刚构桥施工方法打破了传统组合结构施工几何线形难以控制的局限，采用预制装配式的理念，实现施工快速化的同时减少了高空作业的时间，提高了施工安全性，保证了施工质量。其中主体结构的施工步骤主要有：

1)在已建墩台上安装钢桁，形成钢桁连续梁桥。

2)以墩顶轴线对称安装预制桥道板，安装一对桥道板，相邻桥道板结合界面涂刷环氧树脂，并张拉对应的预应力钢束，桥道板安装完成后，预埋焊接PCSS剪力键的竖向钢板，完成桥道板与钢桁的连接。

3)安装桥面铺装及其他附属设施，完成墩梁固结施工。

1.3 墩梁连接部位受力优化分析

常规连续刚构梁桥的墩高一般高于20 m，柔性桥墩在力的作用下，墩顶会产生较大水平位移，因此向墩底传递的水平力较小。对于墩高受限的连续刚构梁桥，墩身刚度大，墩顶产生的水平位移有限，所以必须采取其他措施减少水平力传递。

图2 墩梁连接节点示意

施工阶段中，由于上部结构自重作用时内力自平衡，钢桁吊装至墩顶时，在节点A，B处仅传递竖向力(见图2)。在温度和风荷载作用下，节点A，B主要传递水平力。为避免墩底产生较大水平力，墩梁连接处在施工阶段释放水平约束，仅向下安全地传递竖向力，此时整体结构受力形式为连续梁体系；在运营阶段，桥梁整体结构除受施工阶段的力外还受收缩、徐变及长时间温度和风荷载作用，采取相应措施约束上部结构的水平位移，此时墩梁连接处传递水平力及竖向力，结构受力形式为连续刚构体系。

墩底应力主要是由墩底截面轴力和弯矩产生，轴力产生的均匀压应力对混凝土墩并无威胁，而弯矩作用会在截面一边产生拉应力，结构受力不利。通过设置部分水平约束的墩梁联结构造，减小上部结构产生的水平力向下传递，可显著降低墩底弯矩，减小墩底拉应力。

2 矮墩PSTC组合连续刚构桥墩梁联结构造

为保证桥墩高度受限的情况下，PSTC组合连续刚构桥上部结构水平力和竖向力的传递满足受力和变形的需要，依据不同状态的受力要求，提出了适应于矮墩的带抗推挡块的预埋件式墩梁联结结构造，见图3。

图3 墩梁联结关键构造

2.1 关键构造

关键构造主要由钢锚固牛腿和墩顶预埋件2大部分组成。墩顶预埋件是由抗推挡块、精轧螺纹钢筋、抗剪栓钉群焊接而成的整体受力构件。

外伸钢锚固牛腿连接钢桁架与墩顶预埋件，设置在墩顶下弦杆节点两侧，同时，精轧螺纹钢筋穿过钢牛腿锚固，作为锚固的支点，钢牛腿增大了锚固的受力面；抗推挡块布置在顺桥向的钢牛腿内侧，起到承担墩顶水平推力和墩顶桁架节段限位的双重作用；精轧螺纹钢筋预埋于墩顶，钢桁安装时精轧螺纹钢筋从牛腿预留孔内穿出，完成钢桁梁与薄壁墩连接，并平衡上部结构不平衡弯矩产生拉拔力；抗剪栓钉群焊接于钢板上，布置在抗推挡块下方，通过钢板与挡块连接成整体，传递和扩散水平方向的剪力。

根据施工阶段墩梁连接处的受力性能可知，此阶段的上部结构均为连续梁受力体系。墩顶抗推挡块与外伸钢牛腿间预留10 mm空隙，使墩顶钢桁架可自由产生水平滑移，主梁的水平力得以释放，仅有竖向力传递给下部结构。此时上部结构可以在支点处自由发生挠曲转动。

成桥后完成墩梁固结施工，结构体系转换为连续刚构桥梁体系。可变作用产生的竖向压力继续通过钢牛腿直接传递给下部结构。对每一根竖向精轧螺纹钢筋施加拧紧扭力，以平衡上部结构产生的拉拔力。而实际由于上部结构向下传递的竖向力非常大，锚杆在承载力极限状态和正常使用极限状态下均不承担上拔力，仅作为安全措施，采用精轧螺纹钢筋即可。上部结构产生的水平力由钢牛腿传递给与之接触的抗推挡块，并通过底钢板将水平力分配到抗剪栓钉群承受，进一步传递至下部结构，成桥阶段传力路径如图4。

图4 成桥阶段传力路径

2.2 墩梁连接部位施工工艺

将精轧螺纹钢筋、抗推挡块、抗剪栓钉群安装在墩顶指定位置，浇筑墩顶混凝土。为了防止精轧螺纹钢筋抗剪及受拉时将墩顶混凝土拉裂，将墩顶面以下300 mm的精轧螺纹钢用PVC套管包裹，保证精轧螺纹钢与墩顶混凝土无黏结，避免其承受水平力作用；同时为了防止下弦杆和墩顶连接的地方积水，下弦杆和墩顶接触的墩顶标高比两侧高出10 mm。钢桁梁安装时，将下弦杆牛腿的预留孔洞对准，使精轧螺纹钢从其中穿过，再进行部分拧紧锚固，作为抵消上部结构产生拉拔力的安全措施，同时，下弦钢牛腿与抗推挡块、抗剪栓钉群预埋构件间均预留10 mm间隙，仅由钢板传递上部结构和薄壁墩间的力，其水平约束可忽略不计，此时墩梁连接处相当于仅传递竖向力的固定支座。

完成桥面铺装及附属设施施工后，采用扭力扳手拧紧精轧螺纹钢筋，并制作相应的钢垫板塞紧抗推挡块与下弦钢牛腿间间隙，牢固焊接使之形成整体受力构件，同时牛腿与墩顶预埋钢板间亦施行焊接连接，同时对锚固端涂抹环氧树脂作防腐处理，完成墩梁固结。

3 有限元模型的建立和分析

3.1 全桥模型的建立

以实体工程为例，采用MADIS/Civil有限元软件建立全桥模型，各杆件均采用梁单元模拟，见图5。连接关系处理：墩梁连接构造采用弹性连接模拟，在安装钢桁单元时激活钢桁与桥墩间的弹性连接，并将弹性连接仅设置Dx方向刚度值，以此模拟钢桁放置在桥墩上仅向下传递竖向力的状态。待全桥桥道板及其他附属设施安装完成后，再将弹性连接方式更换为刚性连接，成为刚构体系承受后期荷载。

图5 全桥有限元模型

左侧桥墩在成桥初期及成桥后期的应力图见图6。可见，在施工完成后，桥墩有至少有1 MPa 的富余压应力，而在混凝土收缩徐变、温度变化、汽车制动力等引起的水平力作用下，墩底也未出现拉应力。由分析可知，一期恒载作用下，钢桁节点内力自平衡，墩梁结合处仅传递竖向压力，使墩身具有压应力的储备；在后期外荷载作用下，墩梁连接构造有效地平衡与传递上部结构的力，改善了薄壁墩的受力性能。

图6 桥墩应力分布(单位：MPa)

3.2 墩梁连接局部精细化模型的建立

为了验证PSTC组合连续刚构桥墩梁连接构造的合理可靠性，建立局部实体有限元模型，以考察荷载作用下墩梁连接构造的局部受力状态。首先整体模型中利用荷载追踪，可以求得墩梁连接构造受力最不利工况下的杆件内力，再将此内力加载于局部模型。局部节段模型钢结构与混凝土均采用实体单元模拟，为简化模型，取桥墩一半进行建模，桥墩侧面采用对称边界约束条件，墩底面为固结边界，图7。抗剪栓钉群及锚杆采用内嵌于混凝土的约束形式，弦杆采用绑定的约束形式，以此模拟关键构造间的连接关系。钢材间的共同作用采用“硬”接触模拟。

图7 局部有限元模型

墩梁固结构造在最不利荷载工况作用下的应力分布见图8。可见，钢牛腿与下弦连接处有小部分的应力集中，可能由于构件尺寸突变、网格划分影响等造成，由于面积较小，对于墩梁连接的性能尚不构成影响；抗推挡块与抗剪栓钉群受力均匀，无明显应力集中区域，水平推力通过抗推挡块传递到底部的抗剪栓钉群，在挡块下方栓钉群应力大于其他区域。

图8 墩梁固结构造应力分析结果(单位：MPa)

4 结论

PSTC组合连续刚构桥充分结合了钢和混凝土的材料优势，显著地简化了施工工艺，使各施工环节和质量易控制，同时受力明确，基本解决了混凝土收缩、徐变和开裂引起的挠度过大的问题，结构性能稳定可靠。本文针对PSTC组合连续刚构桥，提出了墩高受限情况下的墩梁固结处理措施，并对其力学行为进行了分析，得出以下结论：

1)利用精轧螺纹钢筋的张拉锚固和钢牛腿、抗推挡块、抗剪栓钉群的整体焊接保证上部结构的传力，同时改善了桥墩在水平力作用下的受力状态，解决了矮墩修建连续刚构桥的局限，具有构造简洁，施工简便，经济性强等优点。

2)施工阶段的主跨结构为连续梁受力，支点处放置于墩顶预埋钢板上，仅有竖向力通过钢牛腿直接传递给下部结构。待成桥后施行墩梁固结成为刚构体系承受运营阶段荷载作用，水平推力通过抗推挡块和底部的抗剪栓钉群传递到薄壁墩，竖向压力继续通过钢牛腿传递给下部结构，精轧螺纹钢筋平衡意外情况下可能出现的拉拔力。

3)建立实体工程的全桥有限元模型，分析了薄壁桥墩从施工到成桥的力学行为，同时对挡块式牛腿构造进行精细化建模分析。结果表明，挡块式牛腿墩梁连接构造可有效改善墩高受限时装配式钢桁-混凝土组合连续刚构的墩身受力性能，可供桁式连续刚构桥梁参考。

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