連續剛構橋梁結構設計及穩定性分析

韓 鋒

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

連續剛構橋梁利用橋墩的柔性適應橋梁的縱向變形，在高墩、大跨橋型中應用較廣[1]。當橋梁跨越深溝、河谷等障礙物時，連續剛構因承載力大、剛度大，行車舒適性好，經濟效益明顯等因素，成為大跨橋梁中首選的結構方案之一[2-3]。本文以一座3×150 m預應力混凝土連續剛構橋梁為工程依托，通過結構分析，為同類型橋型設計提供參考。

1 概述

1.1 工程概況

橋位區跨越黑水灘河，河內有常年溪流，河谷呈“U”型，河床寬40 m左右，橋位跨越段河最高洪水位270.60 m，常年洪水位264.60 m，測時水位261.10 m，常年有流水。橋位區上覆第四系素填土（Q4ml）、第四系全新統粉質黏土（Q4el+dl），基巖為侏羅系沙溪廟組（J2s）、下沙溪廟組（J2xs）、新田溝組（J2x）的砂巖、泥巖、頁巖等。該項目設計速度80 km/h，技術標準采用雙向四車道高速公路標準設計，路基寬度為24.5 m，單幅橋面寬度12 m。地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，橋梁地震基本烈度為Ⅵ度。

1.2 橋梁總體布置

引橋在K28+192.565上跨高速公路。左幅橋梁跨徑組成為（3×40+35+15×40）m預應力混凝土先簡支后連續T梁+（80+3×150+80）m預應力混凝土連續剛構+（4×50+8×40）m預應力混凝土先簡支后連續T梁，橋梁全長1 898.8 m；右幅橋梁跨徑組成為（19×40）m預應力混凝土先簡支后連續T梁+（80+3×150+80）m預應力混凝土連續剛構+（4×50+8×40）m預應力混凝土先簡支后連續T梁，橋梁全長1 902.1m。

圖1 剛構橋橋型布置（單位：cm）

本橋主橋位于直線段，引橋起點至K27+086位于圓緩平曲線段，R=913.036 m，A=427.326，緩直點樁號K27+086。本橋第1、3孔跨天然氣管線，為滿足墩臺距管線安全距離要求，第1～第4孔采用錯孔布設，第28孔上跨高速采用50 m連續T梁上跨。

2 上下部結構設計

2.1 主梁細部尺寸

箱梁頂板寬12.0 m，底板寬6.5 m；根部梁高9.3 m，跨中3.3 m；梁底曲線按1.7次拋物線漸變；頂板厚度由標準段30 cm加厚至根部50 cm；腹板厚度由標準段50 cm加厚至根部70 cm；底板厚度由跨中32 cm漸變至根部100 cm。

2.2 預應力鋼束布置

主梁為三向預應力混凝土結構。根據受力情況，頂板縱向預應力鋼束采用15-19，腹板采用15-21，中跨合龍采用15-19型，邊跨頂板采用15-19型，邊跨底板采用15-17型鋼絞線，并設置備用鋼束。

主梁橫向預應力鋼束采用15-5型鋼絞線。腹板豎向預應力采用15-3低松弛低回縮高強度鋼絞線。

圖2 剛構橋典型橫斷面（單位：cm）

2.3 下部結構設計

圖3 主墩構造圖（單位：cm）

圖4 承臺及樁基布置(單位：cm)

20～23號主墩為雙薄壁空心墩，截面尺寸為3.5 m×8.5 m，基礎采用22根直徑2.2 m鉆孔樁；19、24號過渡墩為薄壁空心墩，截面尺寸為4.5 m×6.5 m，最大墩高118 m，基礎采用8根直徑2.2 m鉆孔樁。樁基均布置成梅花型，按嵌巖樁設計。

3 結構有限元模型

根據主橋成橋階段和施工階段有限元模型，進行總體靜力分析。計算模型共有節點750個，單元740個，其中主梁由376個單元模擬，墩劃分為364個梁單元。結構采用墩底固結，邊支座設置彈性連接，結構靜力計算有限元模型如圖5。

圖5 結構靜力計算有限元模型

計算荷載及荷載組成[3]。

a）恒載 一期恒載包含主梁、橫梁等自重，按實際斷面采用容重26 kN/m3，橫隔板按集中荷載考慮，二期恒載采用50 kN/m。

b）活載 公路-Ⅰ級。

c）溫度 合龍溫度18℃±3℃，整體升溫24℃，整體降溫26℃，主梁截面溫差按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2018）取值。

d）基礎變位（不均勻沉降） 主墩按隔墩沉降2 cm考慮，過渡墩按沉降1 cm考慮。

e）施工臨時荷載 掛籃荷載按1 000 kN考慮，并考慮其偏心作用。

將風荷載分為運營風和百年風，其中運營風可與活載進行組合。按《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）規定，運營風荷載橋面處風速為25 m/s；百年風荷載基本風速為27.5 m/s。計算時按規范考慮荷載組合工況。

4 上部結構靜力計算

上部箱梁進行了正截面抗彎、斜截面抗裂、斜截面抗剪、主梁剛度等計算，均滿足相關規范要求。

4.1 正截面法向壓應力驗算

圖6 正截面法向壓應力驗算結果

按照規范要求，標準組合下預應力構件截面最大壓應力應滿足σkc+σtp≤0.5fck= 0.5×35.5=17.75 MPa。在標準組合下，主梁截面最大法向壓應力圖如圖6，可見主梁上緣最大壓應力為16.57 MPa，下緣為11.93 MPa，均小于17.75 MPa，滿足現行規范要求。

4.2 斜截面主壓應力驗算

按照規范要求，混凝土的主壓應力應符合下式規定：σcp≤0.6fck=21.3 MPa，標準組合下，主梁最大主壓應力如圖7所示，其中最大主壓應力為16.57 MPa，小于21.3 MPa，滿足現行規范的要求。

圖7 斜截面主壓應力結果圖形

4.3 短暫狀況法向應力驗算

按照規范要求，施工過程中，混凝土法向壓應力滿足：σcc≤0.7ftk=19.88 MPa，混凝土法向拉應力滿足：σct≤1.15ftk=2.15 MPa。施工過程中主梁上下緣最大拉壓應力如圖8，最大壓應力為13.26 MPa，最大拉應力為1.53 MPa，均滿足現行規范要求。

圖8 短暫狀況法向應力計算結果

5 主墩施工過程中承載力驗算

在懸臂施工過程中，由于主梁懸臂澆筑進度不均勻、掛籃脫落、風荷載以及澆筑不均勻等情況可能使主墩處于不利受力狀態，表1列出最高墩22號主墩施工過程最不利工況下的內力狀態，其中風荷載重現期系數0.84，一側掛籃重1 000 kN，澆筑質量不均勻取兩側懸臂段重量分別乘以1.025，0.975的系數。表1僅給出左肢下端位置內力計算值。

對以上各工況進行偏壓承載力驗算，橫向計算長度系數取2.2，縱向計算長度系數取1.5，驗算結果見表2，可見施工過程中最不利狀態為最大懸臂狀態加橫向不對稱風荷載，安全系數為1.66，滿足相關規范要求，結構安全。

表1 最高墩22號墩施工過程最不利狀態結果

表2 最高墩22號墩施工過程最不利狀態驗算結果

6 穩定性分析

6.1 成橋穩定分析

計算成橋運營階段穩定分析時，將活載按規范大小以梁單元荷載形式加載到模型中，計算了自重、活載的穩定分析，根據驗算結果可知結構體系的最小穩定系數為18.72。前兩階屈曲模態振型圖如圖9[4]。

圖9 前兩階屈曲模態振型

6.2 施工階段穩定分析

圖10 主墩前兩階屈曲模態振型

施工階段穩定分析計算中跨合龍前最大懸臂階段，考慮了自重、一側掛籃不平衡荷載進行屈曲分析。根據驗算結果得出23號墩最不利，最小穩定系數為15.97。

7 結論

本文以一座3×150 m連續剛構橋梁結構設計為例，通過有限元分析，得到了較優的受力狀態。通過研究，可以得出以下結論：

a）結合實際地形條件，采用主跨3×150 m預應力混凝土連續剛構橋型跨越溝谷；橋梁受力性能好，結構剛度大。隨著工程建設需求的多元化發展，受地形、跨度、凈空等因素制約，該橋型具有較大競爭優勢，成為大跨橋梁中首選的結構方案之一[5]。

b）結合結構有限元分析，有效確保選定的結構上下部結構尺寸合理，全橋受力狀態較合理。

c）穩定性分析計算表明，施工階段最小穩定系數為15.97，相比成橋階段最小穩定系數為18.72，施工階段橋墩更容易失穩。其中最大懸臂狀態下穩定性最差，對橋墩設計具有指導性意義[6]。

d）最大懸臂狀態下穩定系數一般小于成橋狀態，通過計算顯示，最大懸臂狀態第一階穩定系數值大于10，第二階穩定系數大于2.5，橋墩具有較大的安全儲備[7]。