预应力混凝土连续刚构桥跨径组合设计方案对比研究

杨帅

摘要：文章以某预应力混凝土连续刚构桥为研究背景，运用Midas Civil软件建立桥梁有限元计算模型，针对不同跨径组合方案的连续刚构桥展开了受力与变形分析。研究结果表明：（1）随着边中跨比的增加，连续刚构桥的主梁弯矩、剪力以及竖向位移均逐渐增大，而轴力随之逐渐减小;（2）跨径布置对桥梁结构的受力及变形影响较大，不同跨径组合方案中对称跨径组合的主梁受力及变形比较均匀合理，而不对称跨径组合则比较复杂;（3）在地形地质复杂情况下，不对称连续刚构桥应尽量选用较小边中跨比形式的跨径组合，以保证桥梁的安全及稳定性。

关键词：连续刚构桥;跨径组合;弯矩;轴力;竖向变形

中图分类号：U442.5⁺4 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.036

文章编号：1673—4874（2020）11一0133-04

0引言

由于预应力连续刚构桥具有行车舒适、施工方便、跨距较大、造价较低等优点，故在我国山区公路桥梁工程建设中得到了广泛的应用。一般情况下预应力连续刚构桥的跨径采用对称布置形式，以保证桥梁结构的受力均衡合理，但在实际工程中桥梁的跨径布置会受到地形地貌、通航等条件的限制，使得一部分桥梁设计不得不选择不对称跨径的组合方案。不对称连续刚构桥的内力及变形必然存在较大差异，由文献可知，边中跨比不协调会使得桥梁结构的应力及挠度不易控制，从而给桥梁结构安全性稳定性带来严重影响。

近年来，国内学者在不对称连续刚构桥方面进行了较多研究，如赵进锋等__6]通过对不同边中跨比的连续刚构桥进行动力特性对比分析，得到跨径不对称桥梁结构的横桥向自振特性影响明显的结论;赵剑等研究了不对称连续刚构桥腹板崩裂的成因及处治方法;荆友璋探讨了跨径不对称预应力混凝土连续刚构桥的设计思路与方法。本文以某预应力混凝土连续刚构桥为研究背景，运用Midas Civil软件建立桥梁有限元计算模型，针对不同跨径组合方案的连续刚构桥进行受力与变形分析，以期为同类连续刚构桥梁的跨径布置设计提供参考与借鉴。

1工程背景

以某三跨预应力混凝土连续刚构桥为研究背景，该刚构桥全长为290m，跨径布置为（75+140+75）m，主梁采用单箱单室变截面箱梁，其中根部和跨中梁高分别为6.8m、3.2m，高跨比为1/20.6、1/44，梁底下缘按1.6次抛物线变化。下部结构左右桥墩均采用双柱式矩形截面空心墩，墩身高度为24m，双柱间净距为4.2m，桥墩横桥向宽度和顺桥向厚度分别为1.6m、7.2m，桥墩基础为钻孔灌注桩。主梁和主墩均采用C50混凝土，承台及桩基则采用C30混凝土。桥梁设计荷载为公路-I级，设计车速为40km/h。桥型布置如图1所示。

2有限元模型

通过采用Midas Civil软件建立连续刚构桥的计算模型，模型坐标系中假设X、y、Z分别为桥梁的纵、横、竖方向，主梁和桥墩均采用三维梁单元进行模拟，该连续刚构桥三维计算模型具体如图2所示。模型中对承台底部进行固结约束，对外侧两桥台的横、竖桥方向均进行约束，跨中两桥墩与主梁、承台采用刚臂进行连接，材料参数如表1所示。全桥一共划分为151个节点，146个单元，计算荷载参数取值如下：

（1）恒载：一期恒载为桥梁结构的自重;二期恒载为桥面铺装、防撞护栏、人行道及栏杆等，荷载取值67kN/m。

（2）汽车荷载：公路一I级;人行道均布荷载取tA2.5kN/m²。

（3）溫度荷载：整体升温为24℃，整体降温为-18℃。

（4）温度梯度：按《公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2015）》标准进行取值。

（5）风荷载：基准风速取25m/s。

（6）收缩徐变：按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62—2004）》标准进行取值。

（7）基础沉降：各支座均考虑5mm沉降。

3连续刚构桥跨径组合方案对比分析

为探讨不同跨径组合设计方案对预应力混凝土连续刚构桥受力及变形的影响，本文在保持原桥全长的基础上，以原刚构桥对称跨径（75+140+75）m为基准，通过改变桥梁的边中跨比，设计了（80+135+75）m、（85+130+75）m、（90+125+75）m、（95+120+75）m四种不对称跨径组合作为研究对象，即边中跨比由O.54增至0。79，模拟过程中分别选取一跨1/4L、一跨跨中、支点处、二跨1/4L、二跨跨中、二跨3/4L、支点处、三跨中、三跨3/4L作为计算截面的位置，针对不同跨径组合方案下的预应力混凝土连续刚构桥进行受力与变形分析。

3.1连续刚构桥的受力对比分析

3.1.1主梁弯矩

通过对不同跨径组合方案情形下的连续刚构桥主梁弯矩进行有限元计算分析，得到桥梁结构在承载能力极限状态下的弯矩变化规律如图3所示。

由图3可知，在承载力极限状态作用下，连续刚构桥的主梁弯矩变化大致与边中跨比成正比例关系。各跨径组合方案中，连续刚构桥中一跨1/4和左、右两侧支点处弯矩值变化较为明显，其中一跨1/4和左侧支点处弯矩值均逐渐增大，而右侧支点处的弯矩值则逐渐减小;桥梁结构中左侧支点处的弯矩值增大了35%，右侧支点处的弯矩值减小了24%，左侧桥墩顶处弯矩随着边跨比的增加而增大，说明在各跨径组合方案中边中跨比越小桥梁的主梁弯矩变化越为均匀。

3.1.2主梁剪力

通过对不同跨径组合方案情形下的连续刚构桥主梁剪力进行计算分析，得到桥梁结构在承载能力极限状态下的剪力变化规律如图4所示。

根据图4可知，在承载力极限状态组合作用下，各跨径组合方案中仅连续刚构桥左、右两侧支点处的主梁剪力变化表现较为明显，而其余截面处剪力变化相对较小，其中左侧支点处剪力值随着边中跨比的增大而逐渐增大，而右侧支点处的剪力值则随之逐渐减小;在桥梁跨径组合为（75+140+75）m时，左、右两侧支点处的剪力值分别为44025kN、-51712kN;在跨径组合为（95+120+75）m时，左、右两侧支点处的剪力值分别为55911kN、-42341kN，左侧支点处的剪力值增大了27%，右侧支点处的剪力值减小了22%，说明选择较小边中跨比能够使连续刚构桥的主梁剪力更为均匀。

3.1.3主梁轴力

通过对不同跨径组合方案情形下的连续刚构桥主梁轴力进行有限元计算分析，得到桥梁结构在承载能力极限状态下的轴力变化规律如图5所示。

由图5可知，在承载力极限状态作用下，各跨径组合的主梁轴力沿横桥向均呈“w”型对称分布。各跨径组合方案中，一跨和三跨各截面的轴力变化较小，而二跨与左右支点处各截面的轴力变化则较为明显，其中跨径组合为（75+140+75）m时，二跨中与左右两侧支点处的轴力值分别为-5500kN、-9854kN、-9797kN;跨径组合为（95+120+75）m时，二跨中与左右两侧支点处的轴力值分别为-573kN、-4125kN、-6016kN。根据主梁轴力变化曲线可知，随着边中跨比的增大，连续刚构桥的主梁轴向拉力呈逐渐增大变化，而其轴向压力则与之相反。

3.2连续刚构桥的变形对比分析

通过对荷载短期效应组合作用下的刚构桥主梁竖向位移进行计算分析，得到不同跨径组合的主梁竖向位移如图6所示。

根据图6可知，在荷载短期效应组合作用下，各跨径组合方案中仅一跨的竖向位移变化表现比较明显，其中当跨径组合为（75+140+75）m时，一跨1/4截面处的竖向位移为48mm，一跨中的竖向位移为36mm;而当跨径组合为（95+120+75）m时，一跨1/4和一跨中截面处的竖向位移分别为74mm、62mm，较前者分别增加了54%、72%。由此可知，在连续刚构桥中边跨的竖向位移增幅随着边中跨比的增大逐渐增大，中跨的竖向位移则逐渐减小。

4结语

本文以某三跨预应力混凝土连续刚构桥为研究背景，通过借助Midas Civil有限元软件对不同跨径组合方案的连续刚构桥展开了受力与变形分析，可得到以下结论：

（1）连续刚构桥的主梁弯矩、剪力以及竖向位移均随着边中跨比的增加逐渐增大，而轴力随着边中跨比的增加逐渐减小。

（2）跨径布置对桥梁结构的受力及变形影响较大，不同跨径组合方案中对称跨径组合的主梁受力及变形比较均匀，而不对称跨径组合主梁受力及变形较为复杂。

（3）在地形地质复杂的情况下，不对称连续刚构桥的跨径布置应尽量选用较小边中跨比形式的跨径组合，以保证桥梁的安全及耐久性。