大跨度连续刚构桥结构设计与受力性能研究

支晓飞

（安徽开源路桥有限责任公司,安徽 合肥 230088）

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展及科学技术的进步，桥梁建造技术得到了飞跃式发展。大跨径桥梁中常用的结构形式有T 型刚构、连续梁和连续刚构，其中连续刚构桥[1-3]在施工中不存在体系转换，主墩无支座，全桥伸缩缝只有两道，行车舒适性较好，并且顺桥向的抗弯刚度和横桥向的抗扭刚度均较大，能满足大跨径桥梁的受力要求，受温度及混凝土收缩徐变较小，因此被广泛地运用于工程中。

关于连续刚构桥的研究及应用有许多，其中蔡建明[4]等人基于实际的工程对高墩刚构桥进行研究，提出相关设计方法为类似工程提供参考价值。游鑫[5]基于实际的工程对大跨高低墩连续刚构桥的施工及主墩的受力进行研究，结果表明当高低墩刚构桥的墩高比为1 ∶2 时，选择柔度较大的双肢薄壁墩和组合式墩更好。李乐天[6-7]等人以实际的工程案例背景对高低墩大跨度连续刚构桥的力学行为进行研究，研究表明高墩比是影响主墩内力的主要影响因素，并且发现混凝土的容重对主梁的扰度影响较大。刘明[8]结合大跨度连续刚构桥常见的病害对大跨度连续刚构桥的设计要点进行研究，结果表明在进行设计时应注意对预应力束、箱梁尺寸及配筋等的设计，以防止裂缝、下扰等病害的产生。梁荣[9-10]等人通过实际的工程案例对连续刚构桥的施工技术进行研究，提出保障架构合拢精度、成桥线形与受力状态的措施。现有的研究已取得一定成果，但在数值模拟的分析方面还存在一些不足。

为此，该文在现有的研究成果基础上，借助有限元软件对高低墩大跨度连续刚构桥的刚度设计及主梁受力性能进行研究，希望该文的研究能为行业的发展提供参考价值。

1 大跨度刚构桥的刚度设计分析

该文采用Midas Civil 有限元软件建立连续刚构桥梁模型，该次建模根据实际的工程案例进行，工程中的主梁采用二次抛物线变高的单箱单室箱梁截面，箱梁的顶宽为10.2 m，梁底宽度为8.2 m，主墩的墩顶处2 个为13.6 m，主跨的梁高为7.1 m，主墩中的顶板的厚度为0.65 m，腹板的宽度为1.20 m，底板的厚度为1.20 m；主梁中顶板的厚度为0.65 m，腹板的宽度为0.6 m，底板的厚度为0.55 m。该工程中的桥梁分为三跨，长度分别为98 m（小里程边跨）、192 m（中跨）和94 m（大里程边跨），在模型中主梁和墩身均采用空间梁单元进行模拟，梁墩之间采用主从的关系进行处理，主墩下部的群桩基础转化为墩底弹性支承，荷载采用均布荷载分配到主梁单元上方，模型的三维图如图1 所示。

图1 大跨度刚构桥刚度分析三维模型图

1.1 梁高的刚度影响分析

为分析不同的梁高对高低跨大跨度连续刚构桥刚度的影响，该文模型分析是在保证梁宽不变的情况下设置五组不同的梁高进行分析，其中箱梁的梁顶宽为10.2 m，梁底宽为8.2 m，梁高分别为6.5~13.0 m、6.7~13.2 m、6.9~13.4 m、7.1~13.6 m、7.3~13.8 m，另外顶板的板厚为650 mm，底板的厚度为0.55~1.2 m，腹板的厚度为0.6~1.2 m 保持不变，具体的结果如表1 所示。

表1 梁高对刚度的影响结构表

从表1 中可以看出，在保持连续刚构桥梁宽不变的情况下，随着梁高的增加，结构的第一阶段周期逐渐增大，第二阶段周期逐渐减小，对第三阶段的周期影响不大；从跨中的竖向扰度及横向水平位移可以看出，梁高的增加，在荷载作用下结构的跨中竖向扰度逐渐减小，对跨中横向水平位移的影响较小，由此可见梁高为连续刚构桥的跨中竖向扰度影响较大，梁高的增加，能明显提高结构的刚度。

1.2 梁宽的刚度影响分析

为分析不同的梁宽对高低跨大跨度连续刚构桥刚度的影响，该文模型分析时在保证梁高不变的情况下设置7组不同的梁宽进行分析，其中梁高由跨中7.1 m 按二次抛物线逐渐变至支点梁高13.6 m，箱梁的梁宽分别为梁顶宽10.2 m，梁底宽8.6 m；梁顶宽10.2 m，梁底宽8.4 m；梁顶宽10.2 m，梁底宽8.2 m；梁顶宽10.2 m，梁底宽8.0 m；梁顶宽10.2 m，梁底宽7.8 m；梁顶宽10.4 m，梁底宽8.2 m；梁顶宽10.6 m，梁底宽8.2 m；另外顶板的板厚为650 mm，底板的厚度为0.55~1.2 m，腹板的厚度为0.6~1.2 m 保持不变，具体的结果如表2 所示。

表2 梁宽对刚度的影响结构表

从表2 中可以看出，在保持连续刚构桥梁高不变的情况下，随着梁宽的增加，结构的第一阶段周期逐渐增大，可以发现梁底宽度的增加对第一阶段周期的影响较大；在梁顶宽度不变的情况下对第二阶段周期几乎不影响，说明梁底宽度的增加对第二周期的影响不大，梁顶宽度的增加对第二周期有一定的影响；在梁顶宽度不变的情况下第三周期随梁底宽度的增加而增大，在梁底宽度不变时随梁顶宽度的增大而减小；从跨中的竖向扰度及横向水平位移可以看出，当梁顶宽度一致时，随着梁底宽度的增加，跨中竖向扰度和横向水平逐渐增大，当梁底宽度一致时，随着梁顶宽度的增加，跨中竖向扰度和横向水平位移逐渐减少，说明增加梁顶宽度比增加梁底宽度对结果更有利。

2 主梁受力性能分析

该工程在进行施工时，主桥梁梁体采用悬臂灌注法进行施工，主梁的合龙是采用先现浇合龙边梁，后合龙中梁的施工顺序进行施工，施工中的主梁使用的混凝土强度等级为 C55。该文通过数值模拟分析主梁在施工阶段和运营阶段的受力性能，为进一步分析，对模型中进行墩顶编号，如图2 所示。 模拟计算时的恒载包括结构自重、预应力、混凝土收缩 徐变、二期恒载及基础的不均匀沉降；主力包括活载、 附加力由纵桥向附加力和横桥向附加力。

图2 主梁数值模拟墩顶编号图

2.1 主梁的竖向刚度分析

通过数值模拟软件对施加活荷载情况下的主梁竖向刚度进行分析，具体的结果如表3 所示。

表3 主梁的刚度分析结果表

从表3 中可以看出，在列车竖向静活载的作用下，主梁的刚度能满足规范的要求。

2.2 施工阶段主梁的应力分析

该文通过数值模拟对主梁在施工阶段的应力进行统计分析，具体结果如表4 所示。

表4 主梁施工阶段的应力结果统计表

从表4 中可以看出，在施工阶段主箱梁的最大压应力和最小压应力能满足规范要求。

2.3 运营阶段主梁的应力分析

该文根据有限元软件对主梁在主力组合作用下和主加附组合作用下的正截面混凝土压应力进行分析，具体的结果如表5 所示。其中的主力组合包括两种两组荷载组合分别为结构自重+预应力+混凝土收缩徐变+二期恒载+活载和结构自重+预应力+混凝土收缩徐变+二期恒载+不均匀沉降+活载，在该荷载组合下，混凝土的压应力应不大于0.5 fc并且不能出现拉应力，主加附加组合也包括两组荷载组合分别为主力+横桥向附加力和主力+纵桥向附加力，在该组合下，混凝土的压应力应不大于0.55 fc并且不能出现拉应力，最不利的荷载组合分别为主力、主力+附加力进行组合。

表5 主梁运营阶段的应力结果统计表

从表5 中可以看出，在运营阶段主箱梁的最大压应力和最小压应力能满足规范要求。

另外该文通过数值模拟对主梁的正应力进行分析，具体的结果如表6 所示。

表6 主梁截面的正应力模拟计算结果表

从表6 中可以看出，在运营阶段主箱梁的截面正应力能满足规范要求。

3 结论

该文通过有限元软件对高低墩大跨度连续刚构桥的刚度设计及主梁受力性能进行研究，研究结果表明：增加主箱梁的梁高比梁宽对提高结构的刚度更有效，梁高的增高能显著减小主梁跨中竖向扰度和横向水平位移值，从主梁的受力分析可以发现在施工过程中主跨的合龙能满足要求，在运营过程中主梁仅小范围出现拉应力，其余均为压应力，也能满足规范要求。该文仅对大跨度连续刚构桥的部分内容进行研究，有关研究还有待进一步深化。