不对称矮墩刚构桥墩高比对桥墩受力影响分析

杨 伟 利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710000)

连续刚构桥是一种常见的桥型，它兼具了连续梁桥和T构桥梁的优点[9]：

1)主梁无支座，施工方便；2)施工过程中不需要进行体系转换；3)墩梁固结，有效减小跨中正弯矩[10]；4)截面高度较小，能更好的满足净空要求。连续刚构桥的主梁与桥墩固结，结构所承受的内力由主梁和下部结构共同承受[3]，内力分配由主梁和下部结构的相对刚度决定。

常规的连续刚构桥一般会布置成对称、高墩、桩基础。设计成对称结构是因为对称结构受力相对简单明确，且有众多的工程实例作为参照。布置成高墩和桩基础时需要减小下部结构的刚度，以起到很好的削峰作用和适应温度力作用、不均匀沉降、混凝土收缩徐变等因素引起的变形。

然而对于某些布置在跨越山区沟谷处的连续刚构桥，因为地形地质、线路和周边环境的限制，往往需要做成不对称、矮墩、明挖基础的连续刚构桥。不对称意味着受力更为复杂，矮墩和明挖基础意味着下部结构刚度较大，在墩梁内力分配中会承担更多内力，且无法消除附加内力引起的变形，导致结构受力更为不利。

对于这些常规的连续刚构桥，相关的专家学者已经做了很多的研究。但对于不对称、矮墩、明挖基础连续刚构桥的研究却为数不多，而且主要研究的是主梁的受力，对下部结构的受力关注很少。因此非常有必要对此类桥梁的下部结构受力加以研究，为今后此类桥梁下部结构的设计施工提供依据。

1 工程概况

本文对不对称矮墩刚构桥进行研究，依托实际工程的一联山区单线重载(16+20+16)m连续刚构桥，分析在温度作用工况和不均匀沉降工况下墩高比(即高墩与低墩的高度比值)对下部结构受力的影响，找出墩高比影响下部结构受力的变化规律。桥梁全长53 m，主梁截面采用中间实体矩形+两端翼缘的截面形式，梁底宽5.4 m，顶宽7.4 m，外侧悬臂长1.0 m。跨中处梁高为1.25 m，在刚臂墩根部梁高变为1.85 m。梁部梗斜长2.0 m，高为0.6 m。刚臂墩横桥向与主梁梁底同宽，顺桥向壁厚1.0 m，两侧刚臂墩等高，墩高为6 m。因为桥址处的地质条件较好，基岩埋深较浅，桥台及桥墩基础均设计为明挖基础，见图1。

2 桥梁受力分析

采用Midas civil软件建立桥梁的有限元简化模型，建模采用梁单元。坐标系以纵桥向为x轴，横桥向为y轴，竖直向上为z轴。因为桥台与桥墩底部地质良好，均采用了明挖基础，故在有限元模型中直接将桥墩墩底固结，桥台未建模，直接在对应的桥台支座节点处约束y，z方向的位移和x，z方向的转动。

有限元模型如图2所示。

为了研究墩高比对桥梁受力的影响，在保持右墩高度6 m不变的情况下，依次将左墩高度变化为6 m,5.5 m,5 m,4.5 m,4 m,3.5 m和3 m，相应的高低墩墩高比即从1依次变化为1.09,1.2,1.33,1.5,1.71和2.0。这样就可以得到桥梁结构在不同墩高比下的受力情况。本文选取温度力和不均匀沉降这两种工况，分别研究三种工况下墩高比对桥梁下部结构受力的变化规律。

2.1 温度力作用下墩高比对桥梁下部结构受力的影响

本节选取桥梁结构整体降温20 ℃工况为代表，来研究在温度力作用下墩高比变化对桥梁下部结构受力的影响。利用Midas civil软件计算并提取出不同墩高比下两个桥墩的墩顶和墩底的轴力(Fx)和弯矩(My)，取墩高比为1时的结果为标准值1，整理上述数据。以墩高比作为横轴，内力比值作为纵轴，绘制图形如图3，图4所示。

由图3 可以看出，在温度力作用下，墩顶和墩底处的轴力随墩高比的变化规律相同。随着墩高比的增大，低墩的轴力呈抛物线形式逐渐增大，且变化值较大；高墩的轴力呈直线形式逐渐减小，且变化值也较大。

由图4可以看出，在温度力作用下，墩顶和墩底处的弯矩变化规律不尽相同。随着墩高比的增大，墩顶处高墩弯矩近似呈抛物线形式增大，低墩弯矩近似呈直线减小，变化均较为明显；墩底处高墩弯矩近似呈抛物线形式增大，低墩弯矩基本保持不变。

综合以上信息，可以得出结论：在温度力作用下，墩高比的变化能够显著改变桥梁下部结构的内力。随着墩高比的增大，下部结构的低墩轴力和高墩的弯矩均显著增大，下部结构的高墩轴力和墩顶的低墩弯矩均显著减小，墩底处的低墩弯矩基本保持不变。

2.2 墩高比对沉降差的影响

本节研究不均匀沉降作用下墩高比变化对桥梁下部结构受力的影响，桥梁各墩台不均匀沉降差按±1 cm考虑，且每种工况仅考虑一个墩台的升降，不考虑各墩台沉降差的最不利组合。利用Midas civil软件计算并提取出最不利工况下不同墩高比时两个桥墩的墩顶和墩底的轴力(Fx)和弯矩(My)，取墩高比为1时的结果为标准值1，整理上述数据，以墩高比作为横轴，内力比值作为纵轴，绘制图形如图5，图6所示。

由图5可以看出，在不均匀沉降作用下，随着墩高比的增大，墩顶和墩底处的轴力基本不发生变化。

由图6可以看出，在不均匀沉降作用下，墩顶和墩底处的弯矩变化规律不尽相同。随着墩高比的增大，墩顶处高墩弯矩近似以外凸的抛物线形式增大，低墩弯矩近似呈向内凹的抛物线形式增大，变化均较为明显；墩底处高墩弯矩近似以抛物线形式增大，低墩弯矩均近似呈抛物线形式减小。

综合以上信息，可以得出结论：在不均匀沉降作用下，墩高比的变化能够显著改变桥梁下部结构的内力。随着墩高比的增大，下部结构处的高低墩轴力均基本不变，下部结构处的墩顶处的高低墩弯矩和墩底处的低墩弯矩均显著增大，墩底处的高墩弯矩显著减小。

2.3 总结

由以上分析结果可得出以下结论：

1)增大墩高比，桥梁不对称性加强，其高墩所受轴力在各种工况下减小或者不变，低墩轴力在各种工况下增大或不变，即可以通过改变墩高比的方式来优化桥梁高低墩所受轴力。

2)增大墩高比，桥梁不对称性加强，在各种荷载工况下，墩顶墩底处的高墩弯矩均以抛物线形式增加，即可以通过减小墩高比的方式来优化桥梁高墩弯矩；低墩墩顶所受弯矩在不同工况下变化规律不同，应针对实际问题具体分析，低墩墩底弯矩减小或不变，即可以通过增大墩高比的方式来优化桥梁低墩墩底所受弯矩。

3 结语

本文以一座单线重载铁路(16+20+16)m不对称矮墩连续刚构桥为依托，利用Midas civil软件进行建模计算，分析了温度作用工况下、不均匀沉降工况下、列车动活载工况下墩高比对下部结构受力的影响，通过研究可以得出以下结论：

1)山区高低墩连续小跨刚构桥的墩高比对桥梁下部结构的受力影响非常显著，可以通过调整墩高比来优化桥梁下部结构受力。

2)山区高低墩连续小刚构桥下部结构受力在温度力作用工况下对墩高比的变化最为敏感。