连续刚构桥的设计分析

米春阳

（深圳市宝安规划设计院，广东 深圳 518101）

0 引言

连续刚构桥就是主梁连续、墩梁固结在一起的一种桥型结构。它既保持了连续梁的伸缩缝少、行车平顺的优势，又保持了T形刚构桥不设支座，施工体系转换方便的特点。在竖向荷载作用下，主梁端部会产生部分负弯矩，因而减少了跨中的正弯矩，跨中截面也会相应减小，跨径增大，所以桥下净空大，视野开阔，桥型简洁明快，景观效果良好。同时，由于墩梁固结，整个桥梁连成一体，结构整体性好，抗震性能优良，横桥向抗扭潜力大，结构受力合理。因此，连续刚构桥是一种极富生命力的桥型，已成为现今大跨度预应力混凝土桥梁的首选桥型。

本文结合香港莲塘/香园围口岸-土地平整及基建工程-合约三项目的高架桥（简称为莲塘三项目）设计，对连续刚构桥设计思路、理论、处理方法及施工流程进行阐述，讨论设计中的重要细节。莲塘三项目是港深两地新建的莲塘口岸第三标段，位于香港粉岭附近。其项目主要特点是：拟建桥位处，桥下道路交织密布，地下管线纵横交错，多处桥跨布置和梁高设置空间受限，诸多因素制约着桥型布置。为此，经过反复研究论证后，将原设计方案的连续梁桥优化为连续刚构桥型，以便在尽量保持原有建筑物现状的基础上布置桥跨，解决桥跨大、跨长零碎、线形复杂的问题，同时也响应了香港要求减少桥梁运营期支座维修和更换对交通影响的倡导。该项目有A、B、C、D四条高架桥，总长达2.768km，主要连接粉岭公路至龙山隧道南端出口，优化后方案均为连续刚构桥。现选B1桥概况予以介绍。B1桥为5跨310m长，桥跨布置为（57.0+65.0+67.4+62.6+58.0）m，桥宽为9.2～14.1m，上部结构采用斜腹板式预应力混凝土箱梁，横截面为单箱单室，梁高2.8m。桥墩采用薄壁变截面矩形墩，主墩截面顺桥向墩底标高为1.4m，横桥向墩底标高为2.5m。主墩桩基础采用直径为2.5m的钻孔灌注桩，桥型立面如图1所示。

图1 B1桥立面图（单位：mm）

1 设计要点

连续刚构桥的设计是一项复杂的工作，下面结合B1桥设计过程，分析讨论连续刚构桥的设计要点及处理方法。

1.1 墩梁刚度比及墩柱结构形式

连续刚构桥多选用箱型主梁和柔性薄壁桥墩相结合，桥墩与梁体弯矩的分配取决于两者的相对刚度，而梁体收缩、徐变及温度应力也与墩柱的抗推刚度直接相关。合适的刚度比既能满足全桥的纵向刚度，又能改善梁体内力分配，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，确定合适的墩梁截面及刚度比是连续刚构桥设计的重要内容。莲塘三项目连续刚构桥设计中，首先根据荷载估算和同类项目经验初步拟定主梁和桥墩截面，通过MIDAS Civil有限元分析程序建立三维实体模型进行施工阶段、运营状态模拟分析。然后，根据模型分析结果，调试主梁与桥墩截面尺寸及刚度比例，以达到初步的理想受力效果，即主梁在满足施工、运营各阶段和预应力构造要求的前提下选取梁体截面的最小尺寸，而墩柱截面尺寸除满足结构以及施工、运营阶段的最小纵、横向刚度要求外，尽可能使其具有较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度。按此方法，莲塘三项目B1桥最终确定的主梁和墩柱截面尺寸如图2、图3所示。

图2 1/2中跨中、1/2中桥墩截面示意（单位：mm）

莲塘三项目桥梁设计中，对于相邻两联桥的伸缩缝处，参照了桥梁主墩设计原理，采用了设置在同一基础上中心间距为2.4m的薄壁墩与各自主梁固结的形式（如图1中B1桥AB6桥墩）来处理桥梁纵向变形问题，其墩柱基础形式如图4所示。该做法较新颖，遵循项目整体设计思路，计算分析结果显示，受力也满足设计要求，值得推崇。

图3 AB2/AB5墩底截面示意图（单位：mm）

图4 相邻两联桥伸缩处墩柱基础示意图（单位：mm）

1.2 次内力因素的处理

连续刚构桥是一种超静定结构，混凝土收缩、徐变、温度变化、墩台基础不均匀沉降等因素都会引起次反力，产生次内力，极大地影响结构受力状况。莲塘三项目桥梁设计时，除说明中对混凝土的材料组成和配合比、构件养护条件等内容作出特别要求外，认为节段拼装之前混凝土完成收缩，桥型结构分析中仅考虑徐变效应。按照BS5400 Part 4附录C的相关内容，在模型分析时定义梁体混凝土徐变函数，通过模拟施工过程以达到准确反映徐变对结构产生的影响。由于连续刚构桥纵向上桥墩的水平约束，梁体整体温度变化和截面内梯形温差都会对梁体内力产生较大影响。莲塘三项目桥梁依据项目设计要求取桥梁有效温度变化范围为0～36℃，依据SDMHR中2.4.3条款进行了温度荷载分析和加载，采用软件分析了温度变化对结构内力的影响程度。对于基础的不均匀沉降，考虑到桥墩基础均采用嵌岩桩，故采用10mm强制位移来模拟混凝土基础弹性变形及桩底沉渣影响。

1.3 施工挠度控制设计

连续刚构桥采用悬臂施工，挠度的计算和控制尤为关键，它不仅影响桥梁合龙精度，而且影响成桥线形与设计线形的吻合程度，故必须做好施工控制设计。挠度计算的影响因素很多，主要有计算模型、自重、混凝土的弹性模量、收缩及徐变、日照和温度变化、预应力大小、结构体系转换、施工荷载和桥墩变位等因素。需要将这些因素综合考虑进行计算，计算内容有：

（1）各节点断面在各施工阶段的挠度和累积挠度；

（2）各节点断面在成桥状态下的累积挠度；

（3）各节点断面最大、最小活载挠度。

根据各跨活载挠度的计算结果、跨径大小、施工安排、所用材料等，设置高于设计高程的预拱度。理论拼装高程仅是理论计算数据，各种影响系数随着施工时间、天气情况而变化，其系数取值与实际情况存在差异。因此在施工过程中，必须结合施工的实际情况进行模拟计算，并对各节点的断面在各施工阶段的挠度变形进行观测，合理地对各节点理论拼装高程进行调整，以期达到成桥线形与设计线形的良好吻合。莲塘三项目桥梁运用三维实体模型进行全桥施工阶段仿真分析模拟，按照阶段的推进，桥梁结构形式、支承约束条件、荷载作用等发生的变化逐一分析，并充分考虑了预应力荷载效应，最终按照分析结果确定预拱度、节段理论拼装高程，以方便施工过程中按实际情况进行核对和校正。

2 建立模型

模型建立须遵循的原则有：

（1）计算模型尽量符合实际结构的构造特点和受力特点，以保证计算分析结果的真实性；

（2）保证体系的几何不变性，特别是体系转换过程；

（3）施工分析中的荷载、边界条件的设置符合实际施工程序。

鉴于连续刚构桥型的上部箱梁与下部结构固结于一体，为了得到真实的上、下部结构相互作用的全桥结构分析结果，设计时采用三维整体模型进行全桥模拟分析。

模型建立时处理要点：

（1）根据结构构造特点、实际施工过程及计算精度要求，主梁单元以约2.5m的长度划分节段；

（2）由于程序计算结果是以节点位移和内力形式输出的，节点位置主要考虑了设计需要验算的截面以及影响线的作用点，包括各关键控制界面处、构件交接点和转折点、截面突变处及施工缝处；

（3）莲塘三项目中B1桥除在桥台处设置盆式橡胶支座外，其余均为墩梁固结，故模型中桥梁支撑位置的主梁截面均假设为完全刚性，墩顶与箱梁中性轴之间用刚壁模拟；

（4）对于埋置于地下的桩基，则采用有限单元法杆件单元模拟，将土假设为弹性介质，周围土体对桩基的约束，使用间距为1.0m、纵横向刚度均为750Z kN/m（750是根据实际地质勘察条件确定的，Z为约束点的埋置深度）的弹簧进行模拟。

模型施加荷载主要包括恒载（包括混凝土的收缩徐变）、活载、基础沉降、温度荷载（含整体温变和温度梯度）、汽车制动力、风荷载等。由于香港部分延用了英国规范，现对香港车载计算予以介绍。按照香港《Structures Design Manual for Highways and Railways》规定，车载分为HA、HB两种。其中HA计算式为：L≤70m，W=400×(1/L)0.67；70m＜L≤1400m，W=400×(1/L)0.67（其中L为加载长度，W为每名义车道上每米的车载值），同时考虑集中荷载120kN/车道。HB车载是宽度为3.5m，长度可根据最不利状况选择9.6m、14.6m、9.6m、24.6m或者29.6m的车辆荷载，其轴载为450kN，轮载为112.5kN，总重为1800kN。

莲塘三项目中B1桥的三维实体模型如图5所示。

图5 B1桥的三维实体模型

3 设计分析

设计分析是根据模型运行结果对结构进行内力分析、处理，进而优化设计桥梁杆件。

3.1 主梁纵向计算

B1桥分析结果显示：主梁结构设计主要由荷载组合（恒载+预应力+温度+汽车活载+人群荷载）控制。纵向计算首先按模型中正常使用极限状态下正负弯矩、剪力，配置主梁顶部、底部预应力钢索，并通过调整索的数量和位置来控制箱梁横截面上应力大小，确保在使用荷载作用下各截面均不得出现拉应力，然后再根据承载能力极限状态下荷载效应确定普通钢筋数量，也就是按结构使用性能要求确定预应力钢索数量，极限承载力的不足部分由普通钢筋来补充。莲塘三项目桥梁主梁采用了C50混凝土和公称直径为15.7mm、强度级别为1860MPa的高强度低松弛预应力钢绞线。钢索主要布置如图1所示，体内索及张拉控制力为13束/2720kN，体外索及张拉控制力为22束/4604kN、31束/6750kN两种形式。值得一提的是，对于曲线钢束，为防止外绷破坏，采取了增加保护层厚度、加强管道定位钢筋以及尽量减少和缩短通入腹板下弯的措施。

3.2 主梁横向计算

箱梁横向内力计算，采用SAP/2000软件建立弹性支承平面框架模型进行计算，对汽车荷载按规范要求计算纵向荷载分布宽度，然后换算成每延米的集中荷载作用在框架上，计算中同时考虑了温度影响和预应力的作用。

3.3 墩柱基础内力

连续刚构桥受力介于梁与拱之间，模型结果显示，对上部结构嵌固作用较大的墩柱基础上产生较大水平剪力，随着墩高增大，刚度减小，主梁恒载下的弯矩图逐渐接近连续梁，同时墩底弯矩也骤然降低，反之亦然。可见，连续刚构桥墩柱基础不仅承受竖向压力，还承受较大的水平荷载。因此，莲塘三项目桥梁的部分矮墩短桩基础直径达到2.5m，嵌岩深度超过6m，均由水平剪力控制。

4 施工工艺流程

莲塘三项目桥梁施工采用节段预制、悬臂拼装工艺。

4.1 梁段预制

节段预制采用占地少，适应性强的短线法，即在同一地方用固定的模板将所有节段预制出来，每次通过调整匹配节段相对于待浇节段的空间位置来保证梁体的设计线形。主要生产流程为：

（1）在样板内组装钢筋骨架；

（2）配置钢筋骨架、放入预应力管道；

（3）将钢筋骨架吊装到模板内；

（4）调整浇筑设备、定位及模板密封处理；

（5）浇筑混凝土并抹光表面；

（6）混凝土养护；

（7）脱模、匹配节段移至存放场，新浇节段成为匹配节段。

4.2 拼装方法

莲塘三项目的B1桥选用节段桥面起吊拼装法，主要流程为：

（1）将节段运至桥墩旁；

（2）使用起吊设备将节段吊起；

（3）使用平车将吊着节段的起吊设备沿轨道运至悬臂位置；

（4）使用起吊设备提升节段到最终高程并进行拼装。

节段拼装时，综合考虑节段自重、预应力、徐变、墩柱挠曲、重力在接缝处引起的弹性和非弹性形变以及施工几何误差等因素，按组合挠度的计算值校对设计理论高程，以控制悬臂节段的位置。

4.3 接头处理

悬臂拼装关键在于预制节段接头的处理，为保证预制节段对接并满足受力要求，结合面设计了许多凹凸的剪力键构造（见图2），并涂以耐久性好的环氧树脂黏结剂，待节段拼装到位后，再施加预应力。考虑到这种干接头的施工特点，接缝必须相互密贴，结合面上的剪力主要由摩阻力抵抗，因此，配置了足额的体外预应力索，使各结合面永远受压且保证不产生相对滑动。

5 结语

连续刚构桥是一种经济合理、施工安全可靠的桥型，与其他桥型相比，具有桥跨布设能灵活适应自然条件，施工方便可行，行车和抗震效果良好等独特优势，符合安全、经济、适用、美观等设计原则，值得研究和推广。

[1]Highway Department Hong Kong.Structures Design Manu⁃al for Highways and Railways(2006)[M].Hong Kong:Pub⁃lications Sales Unit,2006.

[2]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京：人民交通出版社，2001.