连续刚构桥高墩设计及墩梁结合部应力分析

陈冠桦，邓晓红

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳　550081）

连续刚构桥高墩设计及墩梁结合部应力分析

陈冠桦，邓晓红

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳550081）

连续刚构桥的桥墩高度和刚度是控制桥梁孔跨布置和结构设计的关键因素。以墩高195 m的赫章特大桥为例，对双薄壁墩、独柱墩2种桥墩形式进行对比分析，得出桥墩采用独柱墩形式的结论。运用大型通用有限元程序ANSYS建立其墩梁结合部局部三维有限元模型，从正应力和主应力角度分析该部位的应力分布特征。分析结果可为同类高墩桥梁设计和施工提供参考。

高墩；连续刚构桥；墩梁固结处；有限元法；应力分析

连续刚构桥作为成功的经典桥型，在国内外得到了非常广泛的应用。尤其在我国西部地区，因受经济条件、线形及地形等因素制约，诸多路线选择修建高墩大跨连续刚构桥梁。以前诸多专家和学者已对连续刚构桥的力学行为进行了深入透彻的研究，积累了众多有益结论，但对近年来出现的超高墩大跨连续刚构桥［1-2］的研究报道相对较少，仍有必要进行深入探讨。因此，本文以目前最高墩大跨连续刚构桥赫章特大桥为背景，对超高墩的设计和墩梁结合部的应力状态进行受力行为研究［3-4］，以期为该类结构的设计、建设及养护提供有益借鉴。

1　工程概况

赫章特大桥位于贵州省铜仁至威宁高速公路毕节至威宁段，是一座超高墩大跨连续刚构桥。主桥上部构造为96 m+2×180 m+96 m四跨预应力混凝土连续刚构箱梁，边中跨比为0.533。主桥箱梁采用C55混凝土，其跨中梁高为4.0 m，为主跨的1/45；箱梁根部梁高为11.5 m，为主跨的1/15.65。箱梁高度按1.6次抛物线变化，在悬臂端部、墩顶、跨中设横隔板，且采用纵向、横向、竖向三向预应力体系，并设置后期体外备用钢束。赫章特大桥桥型布置见图1。其中，主墩11号墩高达195 m，为目前同类桥型世界第一高桥墩。

图1　赫章特大桥桥型布置

2　高墩设计

根据桥墩高度的不同，预应力混凝土连续刚构桥常用的截面形式有双薄壁墩和独墩。

双薄壁墩是连续刚构桥中最常见的桥墩形式。双薄壁墩底部与承台连接，顶部与箱梁零号块固结。文献［2］指出，在桥墩截面面积相同时，双柱墩的抗推刚度是单柱墩的1/4。所以双柱式桥墩能有效减少温度、混凝土收缩徐变和顺桥向位移的影响。工程实践中，大多数连续刚构桥选择双薄壁空心墩。由于双壁竖向提供了反力，因此还可有效削减墩顶弯矩的峰值。如龙潭河特大桥主墩高达179 m，采用了双薄壁墩桥墩。

独墩近年来在刚构桥超高墩中也得到了应用。独墩采用中间挖孔的箱形截面，以减少混凝土用量，增大截面惯性矩，提高桥墩的承载能力。按照截面中箱室的多少分为单箱单室、单箱双室和单箱多室等类型；按截面外形有无变化又分为等截面和变截面。如汤溪河特大桥主墩为156.84 m，采用独柱空心墩。

赫章特大桥设计时，设计人员对双薄壁墩和独柱墩进行了最大悬臂浇筑线弹性稳定与桥墩混凝土用量分析比较。分析表明，在最大悬臂施工阶段，整个结构的稳定受桥墩控制，而桥墩1阶弹性稳定与失稳方向则与桥墩的抗弯刚度和桥墩间是否设置横系梁有关。双薄壁墩在最大悬臂施工阶段其失稳方向是面外屈曲，但2阶失稳模态是面内失稳。结构自重及施工临时荷载作用下结构前5阶的稳定系数如表1所示，其相应的工程数量如表2所示。从表1数据可以看出，双薄壁墩1阶稳定系数均小于4.0，不满足弹性稳定系数不低于4.0的规范最低要求。独墩构造1阶弹性屈曲系数为15.931。由此可知，独墩具有较高的稳定系数，能够满足稳定要求。从工程数量看，独墩混凝土数量与双薄壁墩用量相当。

表1　桥墩前3阶稳定系数

表2　桥墩混凝土用量　m3

由上述分析可知，赫章特大桥主墩11号墩在最大悬臂施工阶段，就其弹性稳定和混凝土用量而言，独墩构造最优，因此最终选择独墩形式。11号墩采用独柱墩箱型截面，墩顶纵向宽9 m，纵向宽度变化坡率为60∶1，墩身横向宽度上下一致，均为17.5 m。箱墩壁厚1.2 m，中间纵肋厚0.8 m，沿竖向每30 m 设1道横隔板，横隔板厚0.8 m。墩顶、墩底分别设2.0、3.0 m实心段。桥墩采用C50混凝土，横、纵断面布置形式分别见图2和图3。

3　墩梁结合部应力分析

鉴于赫章特大桥11号墩属于独柱箱形截面超高墩，墩梁结合段结构构造及受力较为复杂，其受载后的应力分布用杆系理论难以给出精确的分析结果，因此有必要采用有限元法对11号墩墩梁结合段进行局部应力分析，了解墩梁结合处局部空间应力的分布规律和大小。

图2　桥墩横断面

图3　桥墩纵横剖面

3.1结构有限元模型建立［5-6］

依据圣维南原理，墩梁固结处的应力分布只与其附近区域的应力状态有关，即远离墩梁固结处区域的应力状态对该处的应力分布影响可以忽略不计［7］。因此，建立有限元模型时，仅将11号墩及其左右各20 m箱梁区域纳入分析范围。

结构离散时，混凝土部分采用的单元为SOLI45，预应力钢束采用LINK8单元模拟。建立模型时，对规则几何形状区域采用六面体划分，对复杂几何形状区域采用四面体划分，在六面体单元和四面体单元交界处生成金字塔单元以保证2种单元协调变形［8-9］。模型共划分为233 592个单元，116 789个节点，X为顺桥向坐标，Y为竖向坐标，Z为横桥向坐标。结构有限元模型见图4。

有限元分析时，先利用全桥杆系模型对结构进行内力计算，墩梁结合部应力最不利荷载工况为永久作用+公路-I级+整体升（降）温+日照温差。根据静力等效原则将荷载施加到有限元实体模型中［3，10］：轴力以均布荷载方式施加到断面上，剪力均分到断面各节点上，以集中力形式施加；弯矩则等代为平衡力作用于箱梁顶、底板上。

将桥墩底部边界固结，将两端悬臂断面假定为平截面变形，以刚性域方法形成，并在此断面处施加整体模型中所提取的荷载。

3.2计算结果及分析

通过有限元仿真分析可以得到墩梁结合段中任一节点的位移和应力状况。本文将从正应力与主应力角度来分析墩梁结合部的应力状况。

3.2.1纵向正应力

1）整个零号块箱梁梁体纵向均受压，没有出现拉应力，压应力总体水平在10～15.6 MPa之间。箱梁底面和桥墩顶面倒角处出现了表面峰值应力，数值为23.9 MPa，属于表面应力高度集中。因此，墩顶处箱梁纵向正应力均满足规范要求，符合全预应力设计理念和设计初衷。墩梁结合部正应力云图见图5。

图4　墩梁结合部有限元模型

图5　墩梁结合部纵向正应力

2）桥墩顶面实心段下缘出现了拉应力，最大拉应力数值为0.8 MPa，应力云图见图6。

图6　桥墩顶面实心段下缘正应力

3）杆系模型最大压应力为14.8 MPa，空间实体有限元分析混凝土最大压应力为15.6 MPa。从正应力的对比看，不考虑梁端应力集中区，相比杆系分析结果，空间实体分析结果偏大，偏大值为0.2～0.8 MPa。应力对比结果表明，杆系模型分析结果与空间实体有限元分析结果吻合较好，同时也证明了实体模型的简化方法、荷载加载方式的正确性。

3.2.2横向正应力

空间实体分析结果表明，横向应力状态与横向分析结果吻合较好，横向、竖向拉应力都较小，且在纵向预应力作用下箱梁截面受力较为均匀。

3.2.3主应力

1）墩顶箱梁混凝土主压应力总体水平在10～18.9 MPa之间。在箱梁底面和桥墩顶面倒角处出现了小范围表层峰值应力，最大主压应力为26.4 MPa，属于表面应力高度集中；最大主拉应力值为2.95 MPa，发生在箱梁横隔板与顶板交接处。横隔板与内腹板交接处主拉应力为2.3 MPa，对该处采取加强钢筋网措施后，裂缝宽度满足规范要求。其余各处混凝土主拉应力均较小，满足规范要求。墩梁结合部主应力云图见图7。

图7　墩梁结合部主应力

2）桥墩顶面与箱梁顶面倒角处最大主拉应力值为2.50 MPa，对该处采取加强钢筋网措施后，裂缝宽度满足规范要求。

4　结论

本文对赫章特大桥高墩的设计和应力进行了分析比较，得到以下结论：

1）在进行超高墩连续刚构桥设计时，双薄壁墩和独柱墩这2种形式的桥墩都可以采用，但该桥根据其桥梁刚度、结构稳定性能、工程量等多方面的要求综合选取了独柱墩形式。

2）在墩梁固结点内，上部箱梁纵向受压，没有出现拉应力，结构总体受力合理；箱梁底面和桥墩顶面倒角处出现了较大压应力，属于表面应力高度集中，但远小于C55混凝土抗压强度标准值。

3）在墩梁固结点内，上部箱梁横隔板和顶板交接处主拉应力较大，箱梁底面和桥墩顶面倒角处也出现了较大的主拉和主压应力。在拉应力较大区域，在满足施工要求的前提下，建议参考已建成同类桥梁的病害，对应力集中易出现裂缝的薄弱部位配置足够的抗裂构造钢筋；在压应力较大区域，应适当考虑局部增强构造配筋。

4）墩梁结合部为高墩连续刚构桥的关键受力部位，施工时务必保证箱梁和桥墩尺寸符合要求，同时建议施工时尽量将墩梁结合处结构倒角和转折处做得圆顺平滑，避免尖角出现，以使应力集中得以缓和。

5）此类桥梁墩梁固结区域混凝土容易开裂，可采用钢纤维混凝土作为加强措施。

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High Pier Design for Continuous Rigid Frame Bridge and Analysis to Stress at Pier Beam Combining Part

CHEN Guanhua，DENG Xiaohong

Height&rigidity of piers in continuous rigid frame bridge is the key factor in control hole span arrangement of bridges and structural design.This paper takes Hezhang special bridge with 195m high piers as example，by comparison analysis to two pier types of double thin wall pier and single column pier，to draw the conclusion of adopting single column pier is better.By using Large-scale general finite element program ANSYS，this paper sets up a finite element model of its pier beam combination part，so to analyze the stress distribution features at this area in view of positive stress and main stress angle.The result of analysis may provide reference for similar high pier bridge design and construction.

High pier；continuous rigid frame bridge；pier beam combination part；finite element method；stress analysis

1009-6477（2016）04-0060-04

U448.23

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.013

贵州省交通运输厅科技项目（2010-122-017）

2016-03-31

陈冠桦（1980-），男，湖南省湘乡市人，硕士，高工。