矮墩連續剛構設計要點探析

沈 敏 吳徐華

中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙 410014

連續剛構是將T形剛構與連續梁兩者特點結合在一起的一種新型結構體系，其常用跨徑在100～300m之間，當擬建橋梁橋跨超過100m時，連續剛構可以作為連續梁橋的比選方案。連續剛構體系上部結構受力特點同連續梁基本無異，區別在于主墩與主梁固結從而共同承受上部荷載產生的內力。連續剛構體系主墩底部所承受的彎矩、主梁梁體內的軸力隨著墩高的增加而減小，亦即，連續剛構體系的受力特性與主墩的抗推剛度密切相關。在方案設計階段，應盡量創造條件避免矮墩。當受路線縱斷面設計高程限制，連續剛剛構體系主跨跨徑大而主墩墩高小時，由于墩身抗推剛度大，溫度荷載、中孔活載以及主梁混凝土的收縮、徐變等作用將在主墩墩底產生較大的內力，墩身截面往往難以通過強度驗算，此外，當墩高過矮時，對于雙肢薄壁主墩，邊跨側的肢墩甚至將承受向上的拉力。根據行業經驗，主墩高度與連續剛構造橋的主跨跨徑之比小于1/10時，主墩設計逐漸成為左右連續剛構方案是否成立的關鍵因素，當墩高跨徑比小于1/10即認為是矮墩連續剛構，設計時需要采取各種措施改善結構的受力情況。

本文以某高速公路在建70m+120m+70m矮墩連續剛構橋位研究對象，基于Midas Civil建立結構靜力計算模型，通過分析其受力特性對矮墩連續剛構體系的設計要點進行定性探析，以期為后續同類橋梁的設計提供參考。

1 工程概況

某高速跨河大橋主橋為70m+120m+70m三跨變高預應力混凝土連續剛構橋，主梁為單箱單室變高箱梁，墩頂梁高7.2m，跨中梁高3.0m，梁高按2次拋物線變化，箱梁頂板寬16.5m，底板寬9.0m。主橋主墩均采用矩形截面雙肢薄壁墩，單肢壁厚1.2m，寬9.0m，主墩墩高為9.0m，主墩基礎為承臺下接群樁基礎，基樁直徑為2.2m。詳勘鉆孔揭示，主墩所在區域覆蓋層厚度約30m，覆蓋層主要為淤泥，全、強風化砂巖。

2 結構計算

為求解矮墩連續剛構橋梁的真實變形與結構內力，合理研究結構受力特性，本文在建立有限元分析模型時，考慮了樁-土-結構的相互作用。其中，樁軸土對基樁的約束作用采用節點彈性支撐單元進行模擬，彈性支撐單元的剛度參考《公路橋涵地基與基礎設計規范》 （JTG D63—2007） 附錄P相關內容采用“m”法計算。研究工作對應的有限元計算模型如圖1所示。

圖1 70m+120m+70m矮墩連續剛構有限元模型

靜力計算結果表明，考慮基礎柔度時，剛構主墩受力情況得到明顯改善，結構整體升、降溫及主梁結構收縮、徐變對連續剛構體系的主墩內力貢獻很大，具體情況定性說明如下。

2.1 基礎柔度對主墩內力的影響

針對基礎柔度的影響建立兩種靜力分析模型，模型1考慮樁土相互作用，模型2不考慮樁周土的彈性作用，直接將墩底固結。計算結果表明，承載能力極限狀態下，模型1主墩墩底最大彎矩22576.9kN·m，模型2為42791.6kN·m，兩者相差懸殊。

2.2 均勻溫度

整體升溫時，中跨上拱，墩頂向邊跨位移；整體降溫時，中跨下撓，墩頂向中跨位移3） 收縮、徐變在運營養護階段，主梁收縮、徐變將引起跨中下撓，主墩墩頂向中跨位移。

以小樁號主墩為例，承載能力極限狀態下墩身底截面內力摘錄如表1所示。

表1 承載能力極限狀態下墩身底截面內力

3 設計要點探析

3.1 合龍溫度的確定

為防止溫度升降引起的剛構體系附加內力過大，應根據橋梁所在區域的年氣溫變化資料，確定橋梁的最佳合龍溫度。考慮到體系降溫對剛構體系的負面影響更突出，最佳合龍溫度宜盡量接近當地歷年最低溫度。

結合橋位區域溫度特征，歷年平均氣溫為22.1℃，歷年月平均最低氣溫 （1月）：13.9℃，歷年月平均最高氣溫 （7月）：平均28.4℃，主橋合攏溫度取18～20℃，根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》表4.3.10-2溫熱地區最高、最低有效溫度標準值分別為34℃和-3℃，兩者取大值，故有：

結構整體升溫：34℃-18℃＝16℃；

結構整體降溫：-3℃-20℃＝-23℃。

根據設計確定的合龍溫度，該橋屬于高溫合龍，經比選最終采用頂推方案優化剛構體系受力狀況，即：邊跨合龍前在中跨最大懸臂端施加頂推力后鎖死中跨合龍段勁性骨架，然后依次合龍邊跨、中跨。

3.2 頂推力的計算

對最大懸臂狀態T構施加頂推力的前提是要確保主墩的結構穩定性，在此前提下，其大小應盡量消除主梁收縮、徐變，系統整體降溫作用產生的主墩墩頂向中跨跨中方向的位移。

主梁收縮、徐變及系統整體降溫時，自小樁號到大樁號方向4個肢墩墩頂的順橋向位移分別為：25、21、-19、-21mm。

邊跨合龍前在中跨最大懸臂段端部施加水平頂推力，其大小為1800kN時，4個肢墩順橋向水平位移分別為-11.5、-11.5、11.2、11.2mm。

施加頂推力時，小樁號主墩在承載能力極限狀態下墩身頂、底截面內力如表2所示。

表2 小樁號主墩在承載能力極限狀態下墩身頂、底截面內力

4 結語

本文對某高速公路 （70+120+70） m矮墩連續剛構進行靜力分析，根據該橋受力特點提出了施加頂推力改善剛構體系主墩受力的技術方案。經驗算，施加1800kN頂推力后，主墩墩身穩定性在各施工階段均有較大安全儲備，同時，剛構體系成橋各項驗算均滿足現行規范要求。基于劉明虎、黃勝前、潘可明、張揚、楊美良及陳自華等人的研究發現[1-5]，結合本文的研究成果，對矮墩連續剛構體系橋的設計，可總結如下經驗：

①軟弱、深厚覆蓋層地區，進行結構靜力計算時，考慮樁-土-結構的相互作用，連續剛構體系主墩墩身受力得到極大改善，即該類橋梁計算應合理計入基礎柔度的影響；

②相對高墩連續剛構，矮墩體系主墩受力較為不利，方案設計階段應盡可能增大邊中跨比，設計時應在施工條件許可的前提下盡可能增大墩身配筋率，同時，應合理計算中跨合龍時的頂推力，從而增加邊跨側肢墩的壓應力儲備保證其在各受力階段均不出現拉應力，必要時甚至可以通過邊跨側肢墩配豎向預應力、邊跨懸臂端永久配重偏壓、墩身設豎縫形成多片墩及分割承臺等措施改善主墩受力情況。