某大跨连续刚构桥结构设计作用效应分析

赵 磊

(山西长治公路勘察设计院， 山西 长治 046000)

某大跨连续刚构桥结构设计作用效应分析

赵 磊

(山西长治公路勘察设计院， 山西 长治 046000)

以一座三跨连续刚构桥为例，使用大型有限元软件建立全桥结构有限元模型，通过选取合理的分项系数，对不同设计荷载进行组合，分析结构的受力状态。针对该桥的施工阶段和成桥阶段分别进行了作用效应组合设计，经分析表明，该桥梁设计同时满足极限承载能力极限状态及正常使用能力极限状态设计要求。

连续刚构桥； 有限元； 作用效应

0 引言

随着我国桥梁建设的持续大发展，大跨连续刚构桥因其具有良好的受力特性以及成熟的施工技术，使其成为中大跨桥梁建设中重要的桥型，尤其是在山区沟谷等地形应用广泛。进行连续刚构桥的结构设计荷载分析并发现该类桥型的受力特点尤为重要。

潘钻峰阐述了大跨连续刚构桥中跨底板混凝土纵向开裂的力学机理，以一座跨径布置为(140+268+140)m的单箱单室连续刚构桥为例，提出了避免跨中箱梁底板纵向开裂与底板混凝土向下崩出和腹板竖向拉应力过大的建议[1]；相类似的，刘心亮也分析了大跨连续刚构桥和连续箱梁桥底板纵向开裂的原因，而且总结了预应力钢束防崩力的计算方法与预防措施[2]；孟新奇分析了大跨刚构桥产生跨中下挠的原因，认为混凝土收缩徐变、设计及施工缺陷、混凝土裂缝对其影响较大，并以一座跨径为(95+160+95)m的连续刚构桥为例，说明了控制跨中下挠的措施[3]；陈浩也以一座(55+100+55)m的连续刚构桥为例，分析了长期下挠的原因并给出了控制措施[4]；罗旗帜研究了变截面多跨箱梁的剪力滞效应，编制了梁高比、宽高比以及荷载形式等因素对剪力滞的影响图表[5]；司徒毅研究变截面连续刚构桥主梁剪力滞效应时，将单箱双室变截面连续刚构桥主梁等效处理为弹性支座上的连续梁，利用最小势能原理得到了考虑剪力滞效应和桥墩变形影响的刚度方程，确定了主梁翼缘板的空间应力与剪力滞系数，并结合实桥分析了变截面连续刚构桥主梁的剪力滞效应[6]；刘杨采用MIDAS与MATLAB计算分析软件，提出了一种高效率的钢管混凝土组合高墩连续钢构桥体系的可靠度计算方法[7]；黄文机对这类刚构桥体系桥梁的受力及其适用范围作了评述，并提出若干建议[8]；刘榕以山店江大桥为例，介绍了高山峡谷区高墩大跨连续刚构桥的设计计算与关键技术问题[9]；杨爱武分析了预应力混凝土连续刚构桥上部结构箱型截面主梁的受力行为，并分析了影响箱梁受力的一些主要结构设计参数[10]；巩春领结合模型试验与实桥荷载试验，探讨了大跨预应力混凝土刚构-连续梁桥的力学特点与使用性能[11]。本文以一座三跨连续刚构桥梁为工程算例，建立全桥有限元模型，进行各种状态下的作用效应分析。

1 工程项目概况及有限元模型

该桥为三跨预应力混凝土连续刚构桥，采用分离式主梁，桥孔布置为94 m+180 m+94 m，全长368 m。单幅桥面宽度为13 m，其中行车道宽度12 m。左侧桥墩高97 m，右侧桥墩高95 m。

计算取单幅桥主梁、桥墩两部分，计算采用有限元分析软件。在模拟分析时主梁与桥墩均离散为空间梁单元，墩梁采用刚性连接，墩底采用固结。有限元模型共有梁单元196个。计算模型见图1。

图1 有限元模型

2 结构作用效应分析

2.1 作用取值

进行结构设计作用效应分析的主要依据为参考文献[12]和[13]。主要参数有： ①设计荷载：公路 — Ⅰ级：车道荷载均布荷载标准值为10.5 kN/m，集中荷载标准值为360 kN； ②梯度温度：按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 — 2004)取值，从梁顶面取14 ℃,距顶面10 cm取5.5 ℃, 距顶面40 cm取0 ℃，负温差按-0.5倍正温差取值； ③体系温度：整体升温20 ℃，整体降温25 ℃； ④收缩徐变： 按JTG D60 — 2004规范取值，计算到3800 d； ⑤支座强迫位移：过渡墩取2 cm，主墩取2.5 cm。

2.2 施工阶段

2.2.1 施工阶段的应力验算

通过计算，可以得到各个施工阶段过程的主梁应力图。其中顶板最大拉应力出现在新浇注中跨合拢段尚未施加预应力时，底板最大拉应力出现在新浇注边跨合拢段尚未施加预应力时。

当边跨合拢，张拉底板束完毕时，顶板最大应力为-0.004 MPa，最小应力为-12.1 MPa；底板最大应力为0.172 MPa，最小应力为-10.6 MPa，底板的最大拉应力出现在跨中的20号块。当中跨合拢，张拉底板束完毕时，顶板最大应力为-0.004 MPa，最小应力为-12.7 MPa；底板最大应力为-0.004 MPa，最小应力为-10.1 MPa，均为压应力。

2.2.2 施工最大双悬臂状态稳定性分析

稳定性验算的设计荷载组合为成桥状态恒载+汽车荷载+整体升温+正温度梯度。选取施工最不利施工状态，即最大双悬臂状态。作用效应组合为： 1.0×恒载+1.0×挂篮荷载。图2给出了左侧桥墩(高97 m)最大悬臂时的失稳模态，计算此施工状态的稳定系数为25.65。

图2 施工最大双悬臂状态下失稳模态

2.3 成桥阶段

2.3.1 支座不均匀沉降作用效应

首先计算了成桥阶段自重作用下桥梁结构应力：顶板最大应力为-0.006 MPa，最小应力为-11.24 MPa，底板最大应力为0.15 MPa，最小应力为-9.81 MPa。图3给出了成桥运营阶段支座沉降引起的顶板应力包络示意图，其中顶板最大应力为0.53 MPa，最小应力为-0.43 MPa，底板最大应力为0.59 MPa，最小应力为-0.74 MPa。

图3 支座沉降引起顶板应力包络示意图

2.3.2 汽车与温度荷载作用效应

成桥使用状态下，活载主要考虑汽车荷载，整体升温，整体降温，正温度梯度与负温度梯度，5种活载。表1给出了各种活载产生的最大位移。

表1 各工况下的梁体最大位移

2.3.3 承载能力极限状态验算

作用效应组合为：1.1×[1.2×恒载+1.4×汽车荷载(包含冲击力)]。经计算主梁抗弯承载力满足要求，其主梁的抗弯承载能力计算结果如表2(包括支座处，跨中附近处)。

表2 主梁的抗弯承载能力

除考虑上述作用效应组合外，同时还应考虑其他荷载组合，使大桥结构满足承载能力极限状态。

2.3.4 正常使用极限状态验算

1) 抗裂验算。

抗裂验算考虑的作用效应组合为：1.0×恒载+0.7×汽车荷载(不包含冲击力)。通过计算抗裂性满足要求。表3给出了主梁抗裂性验算计算结果，此处只包括支座处和跨中附近。

表3 主梁的抗裂性验算计

2) 最大压应力验算。

最大压应力验算考虑的作用效应组合为：1.0×恒载+1.0×汽车荷载(包含冲击力)。通过验算最大应力满足要求。表4给出了主梁最大压应力验算计算结果，此处只给出了支座处和跨中附近的结果。

3 结语

表4 主梁的压应力验算计算结果

本文通过有限元软件建立某大跨连续刚构桥的三维有限元模型，对该连续刚构桥的施工阶段和成桥阶段分别进行了作用效应分析。计算分析了施工阶段的应力与稳定性，详细分析了成桥阶段的承载能力极限状态与正常使用极限状态的作用效应，计算分析表明，该桥结构设计满足规范各种要求。

[1] 潘钻峰,吕志涛. 大跨径连续刚构桥主跨底板合龙预应力束的空间效应研究[J]. 世界桥梁,2006(4):36-39,63.

[2] 刘心亮,李怀雷. 变截面预应力混凝土箱梁底板纵向开裂分析与加固[J]. 公路交通科技(应用技术版),2013(3):5-7.

[3] 孟新奇,魏伦华,张津辰,等. 大跨径刚构桥梁跨中下挠问题研究[J]. 世界桥梁,2013(2):76-79,89.

[4] 陈浩,毛焕雄,曲道来. 大跨度连续刚构桥长期下挠成因分析与建议[J]. 公路工程,2012(2):45-49.

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[12] JTG D62 — 2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

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1008-844X(2017)02-0127-03

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