某山区高墩连续刚构桥结构设计与分析

袁宏波，王宝阳，邹黎琼

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉市 430051)

0 引言

湖北省地势处于第二阶梯至第三阶梯过渡区，鄂东、鄂西、鄂北三面环山，山地约占全省面积的55.5%。近年来湖北省高等级公路发展迅猛，公路骨架网络基本形成，高等级公路建设逐渐推向鄂西、鄂东等边远山区地带。受限于地形、地质条件山区公路不可避免地需要跨越深沟峡谷，普遍桥墩高度较大，墩身位移较大，连续梁桥已不是合适桥型，采用桥梁墩和主梁固结的连续刚构桥，适应了结构变形，改善了上构受力，是一种比较适合山区修建的桥型。该桥型的主要特点是结构受力较复杂、高墩稳定性难以满足等。以鄂西山区一座典型的高墩连续刚构桥——鸡公岭大桥为例，对其结构受力和高墩稳定性进行分析，以期积累设计经验并提供参考。

1 工程概况

1.1 总体设计

鸡公岭大桥是位于湖北省巴东县巴东长江大桥至平阳坝段一级公路项目上的一座典型的高墩大跨连续刚构桥梁，主桥为(60+100+60)m全预应力混凝土连续刚构，图1为鸡公岭大桥立面布置图。

图1 桥型布置图

1.2 设计标准

(1)汽车荷载等级：公路-I级。

(2)设计车速：80km/h。

(3)抗震按7度等级措施设计。

(4)设计洪水频率:1/300。

(5)环境类别：I类。

(6)安全等级：一级。

2 主桥结构设计

2.1 设计计算参数取值

(1)恒载：

①一期恒载包含现浇的混凝土和预应力钢束的重量，取值为γ容重=26kN/m3；

②二期恒载包括桥面铺装和护栏系统,理论计算分析时考虑总容重为78kN/m。

(2)车辆荷载根据规范按公路-I级施加；并且考虑1.15倍的偏载作用；冲击系数根据桥梁通规中相应公式计算取值。

(3)收缩徐变：混凝土的收缩徐变参数按混凝土设计规范进行，在程序中通过定义材料的收缩徐变参数来实现。

(4)温度影响：

体系升温：25℃；体系降温：25℃；合龙段温度15℃±3℃。

桥面板局部升降温：

正温度梯度：t1=14℃，t2=5.5℃

负温度梯度：t1=-7℃，t2=-2.75℃

(5)基础变位影响:主墩基础和边跨支座沉降按10mm取值。

(6)静风作用：桥址区风速取值按24.5m/s考虑。

2.2 上部构造设计

本桥主桥为全预应力单箱单室结构，配置了纵、横、竖向预应力钢束；主桥结构采用变高度设计，主桥墩顶0号梁段梁高为7.2m，边跨现浇段箱梁高度为2.6m，中跨跨中合龙段箱梁高度为2.6m，中间按1.8次方变化；箱梁顶部宽度为11.25m，底部宽度6.5m；为了充分发挥连续刚构结构材料特点，主梁顶、底板以及腹板均采用变厚度设计，具体设计参数如下：腹板f1=50∶90cm、底板b1=35∶100cm，见图2、图3。主桥梁端支承段为130cm，合龙段宽度为2m。

图2 跨中截面

图3 支点截面

2.3 下部构造设计

鸡公岭大桥主桥桥墩由于墩高达到150m，为保证其强度、刚度和稳定性满足受力要求，桥墩采用空心薄壁结构，设计的截面形式为空心八边形箱型断面(见图4)，桥梁墩顶横向宽6.6m，顺桥向宽3.0m；由于墩高较高，考虑到上部结构以及墩身自重及桥梁稳定性方面的考虑，每肢薄壁墩横桥宽度沿墩高按照角度0.01°进行加宽至墩底截面，墩顶处截面形式见图4。

图4 主墩截面形式

3 主桥静力计算

采用MidasCIVIL 2017对鸡公岭大桥连续刚构主桥进行纵向整体计算分析。上构箱梁共划分为271个单元，下构桥墩共划分为285个单元，结构有限元模型见图5。

图5 结构有限元分析图

3.1 主梁持久状况承载能力验算

主梁在持久状况承载能力极限状态下的应力云图见图6、图7。

图6 最大负弯矩承载能力极限状态

主梁正截面抗弯承载能力验算见图8。

图8 抗弯承载能力验算

主梁斜截面抗剪承载能力验算见图9。

图9 抗剪承载能力验算

计算结果表明，主梁的抗弯、抗剪承载能力均符合混凝土设计规范规定。

3.2 主梁抗裂验算

(1)本桥主梁为三向全预应力构件，在短期效应组合下正截面上、下缘应力包络图见图10。

图10 短期效应组合正截面应力包络图

由图10可知，主桥箱梁根部上缘最小1.57MPa，主桥箱梁墩顶上缘最小为3.09MPa，箱梁跨中下缘最小为3.27MPa。各部位最小应力均满足相关技术规范对正截面抗裂的要求。

(2)持久状况下箱梁正截面法向压应力验算

各单元截面上、下边缘混凝土的压应力分布见图11。

图11 正截面混凝土法向压应力

计算结果表明，主梁混凝土压应力σ压应力=12.89MPa<17.75MPa(规范限值)。

(3)预应力钢束的应力验算

查看预应力钢束单元的应力情况可知，σ拉应力=1189MPa<1209MPa(规范限值)，符合规范规定。

(4)挠度验算

主梁挠度计算根据规范条文进行计算，结构产生的长期挠度值为42mm，小于规范规定值L/600=166.7mm，满足相关规范对挠度的要求。

3.3 下部构造结构计算

(1)持久状况承载能力验算

2号主墩墩高144m、3号主墩墩高155m，下部构造桥墩基本对称，选择相对较高的3号桥墩为计算对象。其持久状况承载能力包络图见图12。

图12 承载能力弯矩图和应力图

持久状况承载能力验算结果表明，3号双肢薄壁墩各单元截面的承载力均达到相关规范的规定。

(2)正常使用极限状态抗裂验算。

主桥2个主墩墩身在正常使用极限状态下的最大裂缝计算结果表明，2号主墩受力最不利，最大裂缝为0.16mm，满足规范裂缝限值0.2mm的要求。

4 稳定性验算

采用Midas2017进行全桥稳定性验算分析。考虑到桥墩在施工过程中的最大悬臂状态和成桥合龙状态受力最为不利，分别建立这两种状态的计算模型。

4.1 最大悬臂阶段稳定性分析

连续刚构桥施工阶段的稳定性验算，即验算最大悬臂状态的稳定性，本桥选取最高的右幅3#墩，验算的荷载包括施工荷载、风荷载等，并且考虑两端梁段自重差(左侧增加4%,右侧减少4%)，挂篮不平衡重(挂篮重800kN)、挂篮突然坠落(产生弯矩3000kN·m)，以及风荷载等。

3号主墩施工最大悬臂阶段桥墩的稳定验算结果见图13、图14。

图13 一阶振型图

图14 二阶振型图

验算结果表明施工过程最大悬臂阶段主墩一阶为纵向失稳，特征值系数为8.81；二阶为横向失稳，特征值系数为13.58。

4.2 成桥阶段稳定性分析

成桥时桥上的荷载有结构自重作用、车辆作用及静风作用，并考虑温度、混凝土收缩及高墩不均匀沉降影响等，屈曲分析的前四阶模态见表1。

表1 桥梁屈曲模态

验算结果表明本桥施工最大悬臂阶段和成桥阶段稳定性均满足一类稳定安全系数不小于4的要求，结构具有较好的稳定性。

图15 一阶稳定模态

5 结束语

随着我国高等级公路路网的不断加密，不断向偏远山区推进，高墩大跨连续刚构桥梁将会建设得越来越多。以鸡公岭大桥为例，拟定了上下部结构构造和尺寸，采用常用的有限元程序进行了主桥静力计算和高墩稳定性分析，实际上是介绍了连续刚构这种桥型的结构设计与分析的方法和内容，为今后同类工程提供参照。