桥墩刚度变化对大跨径连续刚构桥梁的内力影响研究

陈大江

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

大跨径连续刚构桥能够适应各类复杂的地形条件，具备较好的抗弯、抗扭、整体稳定及经济性，随着我国基础建设的蓬勃发展，该类桥梁越来越多地被运用于各类公路桥梁的建设中[1，2]。研究表明，桥墩的抗推刚度是大跨径连续刚构桥的关键性受力影响因素之一[2-5]。

随着墩身刚度的改变，桥梁结构上下部结构的受力及总体稳定性均会产生一定的变化。为降低桥墩刚度对结构受力或总体稳定的不利影响，对于高墩桥梁，往往采用抗推刚度相对较大的箱型空心墩；对于墩高较矮的桥梁，一般采用抗推刚度较小的双肢薄壁墩[6，7]。主梁对桥墩刚度的约束影响，主要采用以下两种计算模式[2，6]，如图1所示。

图1 桥墩刚度计算模式图

图1中的模式一适用于上部结构对墩身转角约束较大时的情况，模式二适用于上部结构对墩身约束较小时的情况。两种模式均受到主梁的部分水平约束，且假定墩与基础固结。针对大跨径连续刚构桥梁，主梁的刚度一般较大，主要采用模式一的计算方式。文章以某180m主跨跨径的连续刚构桥为研究对象，以模式一作为理论支撑，同时考虑上部结构的联合作用，研究墩身刚度的变化对结构的内力影响，得出一般性结论，可为类似桥梁的计算及设计提供参考。

1 工程概况及总体模型

某连续刚构桥总体跨径布置为(100+180+100) m，桥面宽度13.75 m，主梁采用变截面单箱单室结构，根部梁高11 m，跨中梁高4.2 m，梁高呈二次抛物线变化，桥墩采用双肢薄壁固结墩体系，如图2所示。

图2 主梁截面(单位：cm)

由于项目的纵坡及防洪等专题需要，桥墩高度设置为26 m。研究表明，随着大跨径连续刚构桥墩高的增加，其刚度逐渐变小，对上部结构内力及整体稳定性的影响均呈现一定的规律性[2-7]。为单纯反应桥墩截面刚度变化的影响，文章不再对墩高变化进行研究，仅研究墩身不同截面尺寸及间距的影响。

依据平截面假定理论基础，建立总体计算模型，如图3所示。主梁及主墩分别按全预应力混凝土构件及普通钢筋混凝土进行分析，承台底部进行固结处理。为了准确判定墩身刚度变化对结构的受力影响，设置以下两种工况分别进行研究，即：

图3 桥梁结构计算方案及计算模型

(1)方案一：H暂定为8 m不变，D分别取值为1.6m、1.8m、2.0m。

(2)方案二：根据方案一，选择最优D值不变，H分别取值8m、8.5m、9m。

2 计算结果分析

通过前述的理论研究，结合桥梁的总体特征，通过对不同方案计算，分别得出各自对应的墩身抗力、裂缝、总体稳定性及上部受力状况，对比分析后寻找其变化规律，最终得出一般性结论。

方案一:H暂定为8 m不变计算，3种D值的计算结果见表1。

表1 方案一计算结果表(H=8)

由表1中的计算结果可知，三种方案的计算结果均满足规范要求。随着墩身厚度的增加，桥墩总体刚度变大，其墩身截面的抗力有所增加，结构的总体稳定性也有一定的改善。但裂缝会随着桥墩墩身厚度的增加而增加，不利于桥墩使用性能及耐久性，对上部主梁结构也会增加其应力包络峰值，降低其应力储备及安全性，综合考虑后，本例可选择截面相对较小的方案(即D=1.6m)。

方案二：选择方案一的最优D值1.6m不变，选择3种不同的H值进行计算，其计算结果见表2。

表2 方案二计算结果表(D=1.6m)

由表2中的计算结果可知，三种方案的计算结果均满足规范要求。随着双肢薄壁墩墩身间距的增加，桥墩总体刚度变大，结构的总体稳定有所增加，但其墩身截面的抗力基本保持不变。墩身裂缝会随着桥墩墩身间距的增加而增加，不利于桥墩使用性能及耐久性，对上部主梁结构同样会增加其应力包络峰值，降低其应力储备及安全性。综合考虑后，本例可选择墩身间距为8m的方案。

3 结 论

(1)随着桥墩截面或双肢间距的增大，桥墩自身刚度及结构的总体稳定性均会有所增加。从结构自身刚度考虑，其结果趋向于有利；从结构自身强度考虑，增大截面面积会有明显的结果，但增加墩身间距对其影响不大。

(2)桥墩自身刚度的改变对上部结构的受力同样会产生一定的影响。随着桥墩截面或双肢间距的增大，其主梁的最大压应力有所增加，最小应力储备也会随之减少。与此同时，桥墩截面的裂缝会随着其自身刚度的增加而变大。因此，从墩身裂缝控制及主梁应力方面考虑，其结果趋向于不利。

(3)在桥墩高度保持不变的情况下，为使得结构总体受力合理，应对不同的桥墩尺寸进行充分计算，充分考虑各种有利及不利的影响，权衡利弊后选择合理的尺寸方案。