山区不等高多跨连续刚构桥设计计算分析

王玲丽 蔡健

1.贵州省交通规划勘察设计研究院有限公司 贵州 贵阳 550001 2.中交公路规划设计院贵州分院 贵州 贵阳 550001

贵州高速为典型的山区公路，当桥位处地面起伏很大时，会出现同一座桥中各墩高度相差非常悬殊的情况。大墩高比下各墩的抗推刚度相差较多，边主墩与中主墩须分别进行设计。根据李民伟、宁晓骏“不等高双肢薄壁墩对大跨度连续刚构静力影响”[1]的结论，墩高比对桥梁上部结构静力影响相对较小，上部结构可采用相同的刚束，桥墩可根据墩高比的不同，采用相同截面不同配筋或不同截面不同配筋的方法满足规范要求。

多跨连续刚构桥是墩梁固结的多次超静定结构，在预应力、混凝土的收缩徐变、非设计合拢温度下合拢等的作用下，桥墩中将产生较大的内力，桥墩各肢的位移也有较大差别，上述不利情况可通过一定的措施得到改善，文中结合120m预应力混凝土连续刚构桥为例，简要介绍不等高多跨连续刚构桥设计计算分析。

1 项目概况

该桥场区位于贵州西部高原山区，受溶蚀影响，地形较为复杂。桥梁按路线分幅设计，主桥采用（65.5+120+120+65.5）m预应力混凝土连续刚构桥，主墩高度左幅分别为46m、131m、80m，右幅分别为50m、131m、90m；过渡墩高度左幅为21m，右幅为30m。该桥左幅桥型布置图如图1所示。

图1 左幅桥型布置图

2 主墩构造设计

该桥主墩墩高相差悬殊，最矮的4号主墩左右幅墩高分为46m、50m，最高的5号主墩左右幅墩高均为131m，较高的6号主墩左右幅墩高分为80m、90m，最高墩与最矮墩的墩高比为2.85:1，较高墩与最矮墩的墩高比为1.8:1。计算发现边主墩墩顶、底弯矩较大，抗裂计算较难通过，最高墩的墩底弯矩也较大，设计藉由减小边墩的截面尺寸、增大中主墩刚度（中主墩采用上部双肢薄壁、下部为箱形的组合结构）来改善受力，桥墩分别设计成三种结构形式，最矮的4号主墩采用实心墩，最高的5号主墩采用上部双肢薄壁、下部箱形的组合结构，较高的6号主墩采用双肢薄壁空心墩。为保证箱梁0号块横隔板与桥墩的刚度匹配，箱梁的0号块也设计成两种形式，与实心墩相接的0号块设置一道1.5m厚的横隔板，与双肢薄壁墩相接的0号块设置两道60cm厚的横隔板，横隔板间距1.6m。

桥墩细部构造分别为：双肢实心墩（横向宽8.5m，纵向宽2.0m），两片墩间净距为6.0m，墩身不设系梁；薄壁空心墩与箱墩组合结构，上部80m高度范围内为双肢薄壁空心墩（横向宽8.5m，纵向宽2.8m），下部51m范围内为整体式箱墩（横向宽8.5m，纵向宽10m）；双肢薄壁空心墩（横向宽8.5m，纵向宽2.8m），两片墩间净距为4.4m。为保证高墩在上部结构悬臂浇筑施工时的稳定性，在高墩墩身间设临时系梁，系梁高0.8m，与墩身同宽，在上部箱梁合拢前予以移除。

3 主桥设计计算

以左幅桥为例建立计算模型，分述合拢顺序、温度作用、收缩徐变、合拢前顶推力对主墩的影响。

①合拢顺序对主墩的影响：采用以下两种形式进行对比：1.先对称合拢边跨而后对称合拢中跨；2.先对称合拢中跨而后对称合拢边跨。两种合拢方式对主墩墩顶及墩底弯矩、墩顶位移的影响见表1。

由表1可见，合拢顺序对主墩弯矩、墩顶位移的影响较小，可忽略不计。根据“高墩多跨连续刚构桥合龙方案及合龙顶推力计算研究”[2]中的，“边跨合龙后，由于边支座摩擦力等因素，在次边跨施加顶推力较难达到顶推边墩的效果”[2]，为此，该桥采用先中跨后边跨的合拢顺序。

②温度作用对主墩的影响：该桥箱梁在23度下合拢，合拢温度比设计温度（15度）高8度，也就相当于全桥成桥后一直受到降温8度的温度力作用。降温8度下各墩墩顶的最大位移、弯矩如表2所示（位移以向大桩号方向移动为正，向小桩号方向移动为负,弯矩以小桩号侧受拉为正，大桩号侧受拉为负）。

表1 不同合拢方式对各墩弯矩、位移的影响

表2 降温8度下各墩墩顶的最大位移

由表中数据可知，降温8度作用引起的各墩墩顶的最大位移、墩顶底弯矩均较大，各墩均向小桩号方向偏移，桥墩各肢的位移相差不大，桥墩各肢的弯矩相差较大。

③收缩徐变对主墩的影响：刚成桥、成桥5年时、成桥10年时各墩的最大位移如表2所示，弯矩如表3所示。

表3 各年各墩墩顶的最大位移（mm）

表4 各年各墩的弯矩（kN.m）

由表3可知，除5号墩刚成桥时及其后各年各肢的位移基本一致外，其余各墩各肢的位移均有一定的差别，且随着时间增加差别越来越大。收缩徐变下各墩成桥1～5年内的位移增加值最多，位移增加值在1.1mm以上，之后成桥5～10年内位移增加值减少。

由表4可知，收缩徐变下各墩的弯矩增加较多，成桥1年内的弯矩增加最多，其后各年的增加幅度逐渐减小，但趋势上仍在增加。刚成桥时桥墩各肢的弯矩相差较大，收缩徐变下各肢墩顶弯矩的差别逐渐减少，墩底弯矩的差别逐渐增加。

④顶推对主墩的影响：为降低或消除混凝土的收缩徐变、非设计合拢温度下合拢时留存在桥墩中的内力，减小成桥后收缩徐变下各肢位移的差别，可于合拢前在合拢段两侧的箱梁上施加适当的顶推力，使顶推力产生的弯矩正好平衡混凝土的收缩徐变以及非设计合拢温度下合拢引起的弯矩。假定桥墩中非设计合拢温度下合拢时产生的弯矩为Md，各年混凝土的收缩徐变下的弯矩，第一年收缩徐变下的弯矩为M1、第二～五年收缩徐变下的弯矩为M2、第六～十年收缩徐变下的弯矩为M3，采用下面公式计算需平衡的弯矩M=Md+M1+0.9xM2+0.5xM3，为减少长期荷载在桥墩中产生的作用，对长期收缩徐变下的弯矩值进行了折减。通过试算求出需施加的顶推力的大小，在4、5号墩之间施加710kN的顶推力，在5、6号墩之间施加600kN顶推力，顶推后桥墩各年的位移、弯矩如表5、6所示。

表5 顶推后各年各墩墩顶的最大位移（mm）

对比表3、5可以看出，顶推后桥墩各年的位移与顶推前相差不多，但顶推后桥墩各肢的位移差别减小了。

表6 顶推后各年各墩的弯矩（kN.m）

对比表4、6可以看出，顶推后4、6号墩各年的弯矩比顶推前大幅减少，顶推后成桥10年时这两个桥墩的弯矩数值比顶推前减少50%以上，桥墩受力改善明显，因为顶推后桥墩的弯矩方向与混凝土的收缩徐变产生的弯矩方向相反，随着收缩徐变的增加，桥墩弯矩由上缘受拉变为下缘受拉（或由下缘受拉变为上缘受拉）。最高的5号墩各年的弯矩比顶推前增加较多，但随着时间的增加，增加值明显减小。

顶推前收缩徐变下桥墩最大弯矩发生在较矮的桥墩墩底，顶推后收缩徐变下桥墩最大弯矩发生在最高的桥墩墩底，顶推改善了较矮桥墩的受力，同时受力较大的高墩，因为截面尺寸较大，设计计算比较容易满足规范要求。

4 结束语

文中结合120m不等高多跨连续刚构桥，简要介绍了该桥的设计特点、上下部构造设计，并得出如下结论：

1）大墩高比下各墩的抗推刚度相差较多，边主墩与中主墩须分别进行设计。2）不同合拢顺序对对主墩弯矩、墩顶位移的影响较小，可忽略不计，为减少边支座摩擦力等因素的影响，采用先中跨后边跨的合拢顺序。3）由混凝土的收缩徐变、非设计合拢温度下合拢等产生的永久内力均较大，桥墩各肢的位移差别也较大，永久内力、各肢的位移差别可通过合拢前的顶推得到改善。先计算不顶推时由混凝土的收缩徐变、非设计合拢温度下合拢在桥墩中产生的弯矩，并进行适当的组合，算出需要平衡的弯矩，而后通过试算求出顶推力的大小。