大跨連續剛構橋橋梁設計要點分析

摘 要：隨著交通事業的不斷發展和技術的不斷進步，處于復雜橋址如山區、河谷和江河的橋梁數量增長迅速。預應力混凝土剛構橋有著跨徑大、整體性能好、受力合理、施工難度低等諸多優勢，因此愈發受到設計單位的青睞。有鑒于此，本文中結合具體案例分析大跨連續剛構橋橋梁設計要點，分析設計過程中需要注意的問題，并給出具體解決措施。

關鍵詞：大跨連續剛構橋；橋梁設計；要點分析

1、引言

隨著1988年洛溪特大橋的建成通車，我國大跨徑連續剛構橋梁的技術已經達到國際領先水平。在全國范圍內，大量推廣應用連續剛構結構，建設了多座長大橋梁，使我國公路橋梁事業的發展進入了快車道。大跨連續剛構橋在高橋墩和大跨徑的地質環境中較為常見，其優勢在于可通過墩梁基礎三點共同受力的方式，對橋梁整體結構受力問題進行有效控制。

2、大跨連續剛構橋優點

大跨高墩預應力混凝土連續剛構橋梁外形尺寸相對較小、橋下空間大、視野開闊，且具有較好的經濟技術性，一般為優先考慮的橋型方案。其特點如下：

不用設置和安裝支座，減少工序，節約材料。大跨徑橋梁支座的安裝、運營過程的維護及后期的更換一直是其無法根本解決的問題；因高墩構造需要有一定的柔度，使其構造尺寸大大減小，減少了橋墩構造及橋梁下部的材料數量，節省了造價；一般有2個或2個以上的墩梁固結，具有良好的抗震性能。墩梁固結使多個墩共同抵抗地震力，無需設置制動墩或抗震支座；相較于大跨徑連續梁橋，施工方便。不用設置墩梁臨時固結，也不需要進行體系轉換，增加了經濟效益，降低了施工安全風險；上部結構仍為連續梁的受力特點，必須考慮超靜定造成的附加內力，如混凝土溫度變化、收縮徐變，各種外部變形產生的次內力，因此橋墩必須要有一定的柔度，以減少次內力帶來的不利影響。為適應上部結構縱向伸縮需要，1聯橋梁端部的邊墩需設置支座，并設置伸縮縫。

3、大跨連續剛構橋橋梁設計問題

剛構橋起源于20世紀50年代，隨著施工材料、施工工藝與計算手段的優化，促使大跨連續剛構橋出現在人們視野中。大跨連續剛構橋在高橋墩和大跨徑的地質環境中較為常見，其優勢在于可通過墩梁基礎三點共同受力的方式，對橋梁整體結構受力問題進行有效控制。在優點凸顯的過程中，缺點也會隨之顯露，下文主要針對大跨連續剛構橋橋梁設計問題進行詳細闡述。

3.1分孔比例

針對大跨連續剛構橋其邊跨、中跨比例的確定，橋梁整體布局和自然條件應協調，對梁體內力合理分布。目前，國內已投入使用的大跨連續剛構橋邊跨和中跨比例在0.5～0.692范圍，而美國HOUST剛構橋邊中跨比例為0.5，僅有少部分連續剛構橋比例在0.6以上。據相關理論研究結果顯示，當大跨連續剛構橋邊跨和中跨比例在0.54～0.56間，不僅可以使中墩內基本沒有恒載偏心彎矩，而且因邊跨合攏段較短，可在邊跨懸臂端以導梁支承于邊墩上，或與引橋的懸臂相連來實現邊跨合攏，施工簡便易行，目前連續剛構的邊、主跨跨徑比趨向于這個范圍。

3.2截面高度

連續剛構橋支點處的梁高一般采用跨徑的1/15～1/20，較為常用的是1/18；跨中截面處的梁高一般采用跨徑的1/30～1/50。變截面梁底面的線形變化規律可采用圓弧線、二次拋物線或折線等，較為常用的是二次拋物線。

3.3溫度內力

在避免大跨連續剛構橋梁墩固結的問題出現，對其溫度內力實施控制，具體措施如下：首先，降低橋墩抗推剛度。從理論學的角度，橋墩抗推剛度、溫度內力是正比，若因橋梁墩身不足，可以選擇柔性樁基方式，將其抗推剛度控制在最小范圍內；其次，對橋梁總長的限制。隨著橋梁建設水平的提升，促使大跨聯系鋼構橋總長得到有效增加，目前國內最長剛構橋長度為1060m；最后，合攏溫度。采用懸臂式澆筑法，在梁段澆筑工作結束后，實施大跨連續剛構橋主梁合攏工作，其具體包含中跨合攏、邊跨合攏兩項內容，合攏工作應在梁段澆筑后標準溫度內完成。

3.4通航防撞

針對江河或海峽等條件下的大跨連續剛構橋建設，其雙薄壁橋墩應避免與船舶撞擊力相接觸，通過人工防撞島、防撞設施和分離防撞島的建設，減緩船舶撞擊力。

3.5結構分析

大跨連續剛構橋主橋結構設計中，采用橋梁縱向計算、內力計算和墩身結構影響等方面進行分析：首先，橋梁縱向計算。依據大跨連續剛構橋實際特點、階段分解等原則，實現節點與單元的合理劃分，其橋梁荷載應包含荷載和活載、汽車制動力與溫度荷載、風力以及支座摩擦力等內容，通過對橋梁結構內力、應力與位移的計算，加之混凝土澆筑與掛籃就位、預應力張拉等環節的運用，確保橋梁縱向計算結果的準確度；其次，橋梁內力計算。主要依據彈性支承平面框架原理，實施科學計算工作，而汽車荷載縱向標準需以溫度、預應力為前提，因此橋梁溫度與預應力要進行綜合考量；最后，墩身結構影響。由于大跨連續剛構橋墩梁固結受到溫度、混凝土收縮力與汽車制動力的影響，加之橋梁多數處于大型峽谷附近，因峽谷風效應的制約，對于橋梁穩定與抵抗強度有著更為嚴格的規定，用以實現對風荷載的控制。

4、大跨連續剛構橋橋梁設計技術要點

4.1線性控制

目前常用Midas Civil v8.3.2空間有限元分析軟件進行大跨連續剛構橋結構分析模型建立，用以完成橋梁施工及成橋節段數據計算與分析工作。一般情況下主梁、橋墩等部位選用梁單元作為模擬量，結合剛壁連接的使用，合理控制大跨連續剛構橋主梁和橋墩間橫向自由度、豎向自由度以及扭轉自由度，同時結合橋梁參數、設計工序等條件，對橋梁成型狀態進行確定，按規范各荷載工況進行組合，判斷不同狀態下橋梁結構變形量與受力問題。大跨連續剛構橋應力控制原理為依據橋梁實際應力值，結合應變規律，以彈性模量為參考，對橋梁預應力進行合理運算，一般按《預應力混凝土用鋼鉸線》（GB∕T 5224-2014）選用松弛度低、強度高、抗拉力為1860兆帕、彈性模量為195000兆帕的預應力鋼絞線，并根據各組合工況進行調束，滿足正常使用極限狀態及承載能力極限狀態各項要求。

4.2下部結構控制

根據上部結構形式及尺寸，地形及地質情況，選取合理的墩柱結構形式尤為重要。由于高墩的剛度較小，矮墩的剛度較大，故在同樣的頂推力作用下會產生不同的位移量。為了使得頂推時高墩和矮墩產生的位移量盡量接近，需要增大高墩的抗推剛度，結構設計時可以考慮增加配筋或者調整截面形式。在活載的作用下，隨著高墩抗推剛度的增大，高墩自身所受的彎矩減小，而軸力、剪力增大；同時矮墩的彎矩、剪力增大，軸力減小，設計時應特別注意此類問題，保證結構設計安全可靠。

4.3撓度控制措施

大跨度連續剛構橋，由于跨徑大，幾何非線性效益明顯，開裂與跨中持續下撓相互惡化，當腹板開裂時，剪切剛度下降，其中的剪切變形也會影響很大。故其實際撓度可能會比計算結果大出很多。目前的理論較難準確計算預拱度，故設計時，應設置足夠的預拱度，根據國內大型剛構橋梁的撓度監測，建議主跨按其跨度的L/1400～L/1000起拱。

充分考慮施工階段及成橋運營階段材料的依存特性。混凝土材料具有較強的時效性，其徐變會產生徐變次內力，對結構不利，此時往往會增大中跨的豎向撓度及增大開裂的可能性。

增加后期可供加固的構造措施。預留足夠的預備鋼束通過孔，或預留以后增加體外預應力的裝置。現如今公路運輸超載問題嚴重，交通量增大，在長期荷載的作用下，橋梁結構出現下撓增大，開裂等破壞狀況，使用一定年限后需要進行加固維修，保證結構安全可靠。

增加正彎矩段梁高，對中跨中正彎矩梁高增大時，此時能保證跨中段梁的剛度，同時，減少跨中底板鋼束的徑向力，若二期恒載過大，應適當增大全橋梁高，增加結構抗力。

對超大跨徑的連續剛構，中跨跨中梁段可選擇采用輕質高強混凝土（HSLC），大大減小箱梁自重，HSLC具有抗凍性、抗滲性較高，且沒有骨料反應，耐久性好，如挪威的斯托爾馬橋其主跨跨徑達到301m，中部182m采用了輕質混凝土。

合攏前設置合理的頂推力與豎向預壓堆載。跨中合攏頂推對跨中撓度和墩頂水平位移的改善效果明顯。豎向預壓能減小合攏后豎向位移，且能減小不利的徐變影響。

適當增加支點附近底板根部的厚度（不小于跨度的0.007取值），并增加底板縱向鋼筋用量以減小底板下緣混凝土的壓應力，同時配置足夠的預應力增大頂緣混凝土的壓應力，以減小徐變下撓度過大的影響，其變化原理見圖1。

5、結語

總而言之，大跨連續剛構橋中因分孔比例、截面、溫度內力、通航防撞、結構形式等因素，導致橋梁設計過程出現各類問題。因此要做好大跨連續剛構橋設計工作，則需充分對影響因素進行分析，結合線性控制與應力控制等關鍵技術的運用，將結構設計做到安全、可靠。

參考文獻

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