矮墩四跨连续刚构受力性能优化参数化研究

刘梦麟，毛立敏，梁 才

（广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029）

0 引言

随着我国交通建设事业的飞速发展，大跨度预应力混凝土连续体系梁桥以其结构刚度大、行车平稳舒适、养护费用低等众多优点得以广泛应用，成为最常见的一种桥型。

按结构体系划分，多孔大跨度预应力混凝土连续体系梁桥主要采用连续梁、连续刚构和刚构－连续组合体系，三种结构体系各有优劣。连续梁在悬臂施工过程中需设置墩梁临时固结措施，成桥后需在主墩设置大吨位的支座；连续刚构可避免采用临时固结措施及大型支座但受混凝土收缩徐变和环境温度变化影响较大，一般适用于主墩较高的情况；刚构－连续组合体系的受力性能及经济性介于连续梁和连续刚构之间。

本文以广西某高速公路跨江大桥为工程背景，对影响连续刚构体系结构受力的控制变量进行了参数化分析，以得到本桥结构受力相对较优的连续刚构设计方案。具体情况介绍如下：

1 项目概况

某大桥主桥跨径布置为80m＋2×125m＋75m，两个边跨不对称布置（见图1）。主梁采用单箱双室箱梁，箱梁顶板宽度为22.5m；墩顶根部梁高7.5m，中跨跨中及梁端梁高2.8m。箱梁采用三向预应力体系，采用挂篮悬臂浇筑施工。

主桥桥墩基础为承台接钻孔灌注桩基础。考虑到施工期间水位较高，水深接近20m，若将承台埋置于河床以下，施工难度较大，施工措施费用较高。为节省施工成本，本桥采用高桩承台的形式，利用钢套箱围堰施工主墩承台。主墩墩高约17m，为主跨跨度的1／7.35，属于矮墩的范畴。

图1 主桥桥型布置图（m）

2 连续刚构体系受力控制变量参数化分析

鉴于连续刚构可避免采用大吨位支座等诸多优点，大跨度梁桥设计往往优先考虑采用该结构体系。由于本桥主墩高度较矮，混凝土收缩徐变和环境整体温度作用对结构受力（尤其是桥墩、桩基等下部结构受力）的不利影响尤为显著。所以，本文对影响桥梁结构受力的各种控制变量进行了参数化分析，以求得到相对较优的连续刚构设计方案。

2.1 参数化分析总体控制及有限元分析模型

影响连续刚构桥梁受力的控制参数主要有以下几种：承台顶标高（即桥墩高度和桩长）、桩基偏心、承台形式、主梁合龙顺序、主梁预顶力等。本文利用Midas Civil空间有限元软件，建立了全桥整体计算有限元模型。根据桥墩形式的不同（双肢薄壁墩、空心薄壁墩），分为两种计算模型，如图2～3所示。

图2 全桥整体计算FE模型一（空心薄壁墩）示意图

图3 全桥整体计算FE模型二（双肢薄壁墩）示意图

针对不同的分析控制参数，采用不同的计算模型和结构设计参数进行计算模拟。参数化分析总体控制表见表1～2。

表1 参数化分析总体控制表（FE模型一）

表2 参数化分析总体控制表（FE模型二）

2.2 承台顶标高对结构受力的影响

图4～5为根据不同的承台顶标高计算得到的桥墩弯矩及桩顶轴力结果图形。

图4 不同承台顶标高对应的桥墩弯矩关系示意图

图5 不同承台顶标高对应的桩基顶部轴力关系示意图

由表3可知，对于高桩承台的下构形式，由于桩基顺桥向整体抗弯刚度远大于桥墩，当承台顶标高提高，桩长加长，下部结构整体抗弯刚度实质减小，整体结构“变柔”。因此出现图4、图5所揭示的现象：随着承台顶标高的提高（即桥墩长度减小、自由桩长加长），连续刚构各主墩墩顶墩底最大弯矩、桩基顶部最大轴力均呈下降的趋势；桥墩受力逐渐趋于小偏心受压，对压弯强度及裂缝宽度控制验算有利；而桩基由于轴压力减小，结构受力逐渐趋于大偏心受压，对桩基压弯强度及裂缝宽度控制验算反而不利。

表3 桥墩及桩基顺桥向抗弯刚度计算结果表

2.3 桩基偏心对结构受力的影响

9＃和11＃桥墩由于墩底存在较大的顺桥向弯矩，导致内外侧桩基受力存在较大的不均匀性：内侧（靠近中跨侧）桩基顶部轴力比外侧大得多。

这种不均匀性，可以通过适当设置桩基偏心进行调整。如图6所示，本文计算分析了9＃和11＃桥墩“桩基外偏1.5m”“桩基不偏心”和“桩基内偏1.5m”等情况。

图6 9＃和11＃桥墩桩基偏心示意图

根据分析结果，当9＃和11＃桥墩桩基往内侧偏心时，9＃和11＃桥墩内侧桩基桩顶轴力逐渐减小，外侧桩基桩顶轴力逐渐增大；反之亦然。适当的桩基内偏心可以减小内外侧桩基轴力差，可通过反复迭代计算得到桩基最优偏心值，使得桩基受力均匀（见图7）。

2.4 承台形式对结构受力的影响

当连续刚构桥主墩考虑采用双肢薄壁墩时，本文对承台形式的选择进行了受力分析研究。总体而言，承台有整体式和分离式两种形式，如图8所示。

如采用分离式承台，相当于增加了桥梁下部结构的整体自由长度，提高了结构柔度。从图9可以看出，9＃～11＃桥墩墩顶、墩底的弯矩包络值均比采用整体式承台时小。墩底弯矩最多下降93.9%；墩顶弯矩最多下降47%。

需要指出的是，虽然采用分离式承台可以减小桥墩弯矩，但是需同时关注下构的整体稳定性以及防止船舶撞击的能力。

图7 外侧桥墩（9＃、11＃）桩基偏心对桩顶轴力的影响示意图

图8 承台形式及其对应的下构弯矩包络图

图9 承台形式对桥墩弯矩的影响示意图

2.5 主梁合龙顺序对结构受力的影响（见图10）

本桥两个边跨不对称，考虑到尽可能减小边跨现浇支架长度以节省项目投资，第8跨比中跨多两个悬浇节段，第11跨比中跨多一个悬浇节段。对比分析两种合龙施工工序：

（1）先中跨合龙：

T构对称悬浇至第15个节段→中跨合龙→中跨压重，不对称悬浇边跨（第8、11跨）节段→边跨合龙。

（2）先边跨合龙：

T构对称悬浇至第15个节段→中跨压重，不对称悬浇边跨（第8、11跨）节段→边跨合龙→中跨合龙。

根据计算结果，主梁合龙顺序对桥墩弯矩的影响不大。本桥如采用先边跨合龙，桥墩墩顶弯矩包络值会比采用先中跨合龙略微减小，最大减小约6.8%。

图10 主梁合拢顺序对桥墩弯矩的影响示意图

需注意的是，本桥如考虑尽量减小边跨现浇支架长度并采用先边跨合龙的方案，则需要中跨压重、不对称悬浇边跨节段，施工风险相对较高同时加大了施工监控的难度。

2.6 主梁预顶力对结构受力的影响

连续刚构桥是多次超静定体系，在成桥状态下由于混凝土收缩徐变、温度作用等影响，主梁纵向长度会产生变化，主墩发生偏移，在主墩内产生较大的次内力。运营阶段，桥梁下构基本组合弯矩包络图见图11。

图11 运营阶段，桥梁下构弯矩包络图（边墩）

为了消除这种不利影响，可在边跨合龙形成单悬臂体系后，在中跨合龙段两侧对主梁梁体进行预顶推，给主墩施加反向作用。中跨合龙前的主梁预顶力产生的全桥位移及桥梁下构弯矩见图12～13。

图12 主梁预顶力产生的全桥位移图

图13 主梁预顶力产生的桥梁下构弯矩图（边墩）

本文计算分析了不同主梁预顶力（0t、250t、500t）对结构受力的影响（见图14）。根据分析结果，在中跨合龙前，给主梁施加适当的预顶力可以减小边墩及其桩基的最大弯矩设计值。对于采用分离式承台的下构而言，墩顶及桩底的最大弯矩设计值下降最为显著：施加250t的预顶力，9＃墩墩顶和桩底最大弯矩设计值分别下降24.9%和23.9%。主梁预顶力对中墩（10＃桥墩）受力影响较小。

图14 主梁预顶力对桥梁下构设计弯矩值的影响示意图

同时也可以发现，当主梁预顶力过大时，对结构也会产生不利的影响。如9＃桥墩，未施加主梁预顶力时，墩顶截面控制设计弯矩为负弯矩；施加过大的预顶力后，控制设计弯矩变为较大的正弯矩。因此，在实际设计中需充分计算分析，以得到最优的主梁预顶力。

3 结语

通过以上分析，可得出下述结论：

（1）由于混凝土收缩徐变和环境温度作用等影响，矮墩连续刚构体系的桥墩及桩基受力一般较大，是连续刚构设计的控制因素。可通过优化承台顶标高、设置桩基偏心、优化承台形式、主梁合龙顺序及施加主梁预顶力等方式，优化连续刚构的下构受力以满足设计和规范要求。

（2）对于高桩承台的下构形式，需综合考虑桥墩及桩基自由段对下构整体刚度的贡献。本桥承台顶标高由72m提高到77m，下构整体“变柔”，可有效减小桥墩弯矩。

（3）由于边墩墩底存在较大的顺桥向弯矩，内外侧桩基受力不均匀，可通过适当设置桩基偏心予以调节。

（4）与整体式承台相比，采用分离式承台的下构形式可以极大地减小桥墩弯矩，但需同时关注下构的整体稳定性以及防止船舶撞击的能力。

（5）主梁合龙顺序对下构受力影响不大。在实际设计中需充分考虑不同主梁合龙顺序的施工难易程度和施工风险。

（6）施加适当的主梁预顶力可以有效降低桥墩及桩基设计弯矩，然而过大的主梁预顶力可能会适得其反。

综合考虑各种控制变量和实际工程情况，本桥连续刚构体系结构受力相对较优的设计方案如下：（1）承台顶标高为7 7.0m；（2）边墩桩基适当设置内偏心；（3）采用分离式承台，并设置相应的桥墩防撞措施；（4）采用先边跨合龙的施工方案且适当进行主梁预顶推。