中小跨径预制装配式梁桥长联刚构体系总体研究

刘梦琦，冯林军，林光毅，包江磊，孙昌禄

（1.浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310000；2.浙江交投交通建设管理有限公司，杭州 310000）

1 引言

随着我国经济的快速发展，桥梁建设的使用需求、技术标准不断提高，桥梁设计理念更加注重桥梁的行车舒适性、耐久性、施工便利性和全寿命周期的经济性。常规结构体系一般采用结构简支桥面连续结构或先简支后连续结构。简支结构桥面连续结构桥面容易破损，影响行车舒适性和运营安全，后期维修养护工作量大；先简支后连续结构施工工序较复杂。另外，两种结构均要设置支座，支座需要定期维修养护和更换。

为解决上述桥梁常规结构体系的现存问题，提出了一种长联刚构桥梁，并应用于浙江某地区7×30 m城市高架T梁桥。本桥在常规墩梁固结构造的基础上，优化桥梁上下部线刚度比形成预制装配式T梁桥长联刚构体系，充分发挥了T梁自身优异的结构性能，并弥补了常规结构体系的缺点。

2 工程概况

某工程7×30 m城市高架桥（见图1）的上部结构采用标准30 m预应力混凝土T梁，桥宽34 m，双向六车道，汽车荷载采用公路I级；下部结构从经济性和景观要求等出发，采用大挑臂盖梁和双柱式墩，全联墩高范围为15～22 m，墩台采用摩擦桩基础，地质由约20 m粉土、10 m淤泥质黏土、30 m粉土、20 m细沙黏土夹层和圆砾构成，各土层地质参数见表1。

表1 各土层地质参数

图1 桥型布置图

3 长联刚构体系受力特性分析

3.1 主要荷载

通过对7×30 m计算模型分别施加主要荷载的单位力来对主梁墩顶、桥墩墩顶和桥墩墩底3个关键界面进行长联刚构体系的受力特性分析。针对长联刚构体系，其主要荷载类型包括水平荷载（制动力、风荷载）、温度作用（升温、降温）、收缩、竖向荷载（集中荷载、均布荷载），以及基础沉降。不同类型的荷载对桥梁不同位置结构的影响不同[1]。

3.2 关键受力响应

3.2.1 水平荷载（制动力、风荷载）

根据图2水平荷载作用下的弯矩分布图可得，在水平荷载作用下，桥梁的受力特性主要是以桥墩受力为主，主梁受力较小。每个桥墩所分配的水平荷载大小受各桥墩水平线刚度比ni=Ki/∑Ki影响；每个墩柱的最大弯矩Mmax、最小弯矩Mmin值受相应墩柱框架线刚度比ni′=βi/∑βi影响。

图2 水平荷载作用下弯矩分布图

3.2.2 温度作用（升温、降温）

根据图3温度作用下的弯矩分布图可得，在温度作用下，桥梁的受力特性主要是以桥墩受力为主，主梁受力较小。每个桥墩所分配的温度力大小受桥墩水平线刚度比ni=Ki/∑Ki和距桥梁变形不动点Li的共同影响，外侧墩柱受力最不利；每个墩柱的最大弯矩Mmax、最小弯矩Mmin值受相应墩柱框架线刚度比ni′=βi/∑βi影响。收缩作用与降温作用特性类似。

图3 温度作用下弯矩分布图

3.2.3 竖向均布荷载

根据图4竖向均布荷载作用下的弯矩分布可得，在竖向均布荷载作用下，桥梁的受力特性主要是以主梁受力为主，桥墩受力较小。

图4 竖向均布荷载作用下弯矩分布图

3.2.4 竖向集中荷载

根据图5竖向集中荷载作用下的弯矩分布图可得，在竖向集中荷载作用下，桥梁的受力特性主要是以主梁受力为主，桥墩受力较小，主梁的弯矩取决于外荷载的大小。

图5 竖向集中荷载作用下弯矩分布图

3.3 长联刚构体系关键问题

由以上各类作用效应图可知，桥梁负弯矩区受力及外侧桥墩受力最为不利。由于长联刚构体系为多次超静定结构，混凝土收缩、徐变、温度变化、水平荷载和墩台不均匀沉降等引起的附加内力对桥梁负弯矩区受力影响较大。但对于下部墩柱，长联刚构桥梁的关键问题在于合理控制外侧墩柱的受力情况，即合理平衡桥墩水平线刚度比ni=Ki/∑Ki、框架线刚度比ni′=βi/∑βi和距桥梁变形不动点Li三者之间的关系。

4 长联刚构体系的对比研究

根据以上长联刚构桥梁的桥墩受力特性分析，如果每个桥墩保持线刚度相等，水平荷载所引起的每个桥墩的弯矩大小相等，但由于温度荷载的特点，越远离桥梁变形不动点，桥墩所分配的弯矩越大，越靠近桥梁变形不动点，弯矩越小。这种内力叠加的最终结果是不合理的，会使得外侧桥墩承担过大的弯矩而难以满足验算要求[2]。因此，为合理改善内力分配，应使得长联刚构桥梁中每个桥墩的内力保持在相似水平。现拟提出3种长联刚构体系方案进行对比分析：方案一的所有墩柱刚度均等，采用背景工程的标准柱式墩尺寸；方案二的两侧次边墩（1#墩和6#墩）墩柱线刚度较小，以减小次边墩墩柱的线刚度比；方案三的两侧次边墩（1#墩和6#墩）墩柱的线刚度较小，并设置一道纵向整体式地系梁连接最中间两个墩柱（3#墩和4#墩）的桩基础，以提高中间墩柱的线刚度比。以背景工程的标准尺寸墩柱的线刚度大小作为基准，可得各方案墩柱相对线刚度比见表2。

表2 各方案墩柱相对线刚度比

由于最外侧桥墩（次边墩）受力最为不利，故3种方案的计算结果以次边墩墩柱的裂缝宽度和压应力大小作为比较因素进行对比，验算原则为裂缝宽度不得大于0.15 mm，压应力不得大于0.5fck=16.2 MPa（fck为混凝土抗压强度标准值），计算结果对比如图6所示。

图6 3种方案次边墩计算结果

由图6可知，方案一的次边墩墩柱裂缝宽度和压应力均超过要求；方案二的次边墩墩柱裂缝在允许范围内，并且混凝土压应力大小合适；方案三和方案二的计算结果相似，说明次边墩的受力基本一致，因此纵向地系梁的设置对该长联结构影响较小，而且经济性较差。所以方案二的次边墩受力最合理，且该方案经济性较好。方案二中，次边墩的线刚度较小，接近标准尺寸墩柱线刚度的20%，可称作柔性墩柱。针对柔性墩柱的设计和选型，根据柔性墩柱线刚度为标准尺寸墩柱线刚度的20%的原则，拟提出3种常见柔性墩柱方案进行比选（见表3）[3]，各方案示意图见图7。

表3 3种柔性墩柱方案

图7 3种柔性墩示意图

将以上3种柔性墩柱方案代入计算模型，计算结果输出见表4，双肢薄壁墩为普通钢筋混凝土结构，主要验算极限状态下的裂缝宽度和混凝土压应力大小；钢管混凝土为钢混结构，主要验算其组合拉应力和组合压应力大小；钢管桩为钢结构，需验算其钢材的拉应力和压应力大小。

表4 3种柔性墩柱方案计算结果

根据表4计算结果可以看出，3种柔性墩柱的验算指标均已在允许范围内且部分接近允许极限值，因此，3种柔性墩柱的线刚度大小在背景工程长联刚构体系中均达到临界值边缘，所以仍需比较3种柔性墩柱的稳定性和经济性，从而对3种柔性墩柱形式的工程应用价值进行综合考虑。在墩柱屈曲分析中，架梁阶段是对墩柱稳定性最不利的阶段，这个阶段主要以梁板自重和主梁架桥机荷载作为可变荷载对墩柱进行屈曲分析，屈曲分析结果见图8。3种墩柱的屈曲破坏模式相同，根据图8分析结果可知双肢薄壁墩稳定系数更高。除此之外，经济性也是实际工程中不可缺少的考虑因素，根据单个桥墩每米柱高的造价分析进行经济性对比。从图9柔性墩柱形式造价对比可得，在3种柔性墩柱中，双肢薄壁墩最为经济，但造价较标准尺寸墩柱高。综合考虑，双肢薄壁墩验算富余度较大、稳定系数较高，在常规柔性墩柱中经济性较好，因此，推荐采用双肢薄壁墩作为柔性墩柱。

图8 屈曲分析结果

图9 造价对比分析

5 结论和设计建议

通过对7×30 m工程案例的结构分析可知，对于长联刚构桥梁，可得如下结论和设计建议：

1）长联刚构体系是桥墩水平线刚度比、框架线刚度比和联长的综合作用的结果，应当综合考虑上、下部结构的结构特性。

2）由于温度作用主要由外侧墩柱承担，因此，可通过增加中间墩柱的线刚度比或减小外侧墩柱线刚度比来减小外侧墩柱的水平荷载的分配，从而减小外侧墩柱的受力负担，优化内力分配，控制裂缝宽度和混凝土压应力大小。

3）长联刚构体系虽然可以突破常规结构体系的联长，但是从经济性角度考虑，过长的联长会导致外侧设置更多的柔性墩柱，减少的支座和伸缩缝不足以弥补柔性墩柱增加的造价，因此，不建议联长过长。

4）此长联刚构体系适用于地势平坦的城市高架桥，对于在地形起伏较大的山区桥梁，由于墩高的变化较大，影响各墩柱线刚度大小，因此，柔性墩柱的位置不一定设置在桥梁最外侧，具体工程仍需具体分析。

5）由于附加内力的影响，此长联刚构体系中上部结构的负弯矩区仍需作为一个控制联长的主要考虑因素。