連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

韓 鋒

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

連續(xù)剛構(gòu)橋梁利用橋墩的柔性適應(yīng)橋梁的縱向變形，在高墩、大跨橋型中應(yīng)用較廣[1]。當(dāng)橋梁跨越深溝、河谷等障礙物時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)因承載力大、剛度大，行車舒適性好，經(jīng)濟(jì)效益明顯等因素，成為大跨橋梁中首選的結(jié)構(gòu)方案之一[2-3]。本文以一座3×150 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁為工程依托，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，為同類型橋型設(shè)計(jì)提供參考。

1 概述

1.1 工程概況

橋位區(qū)跨越黑水灘河，河內(nèi)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(cè)時(shí)水位261.10 m，常年有流水。橋位區(qū)上覆第四系素填土（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)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(yè)巖等。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度80 km/h，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路基寬度為24.5 m，單幅橋面寬度12 m。地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁+（80+3×150+80）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+（4×50+8×40）m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁，橋梁全長(zhǎng)1 898.8 m；右幅橋梁跨徑組成為（19×40）m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁+（80+3×150+80）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+（4×50+8×40）m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁，橋梁全長(zhǎng)1 902.1m。

圖1 剛構(gòu)橋橋型布置（單位：cm）

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

2 上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁細(xì)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(biāo)準(zhǔn)段30 cm加厚至根部50 cm；腹板厚度由標(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)力鋼束布置

主梁為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)受力情況，頂板縱向預(yù)應(yīng)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(shè)置備用鋼束。

主梁橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用15-5型鋼絞線。腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用15-3低松弛低回縮高強(qiáng)度鋼絞線。

圖2 剛構(gòu)橋典型橫斷面（單位：cm）

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 主墩構(gòu)造圖（單位：cm）

圖4 承臺(tái)及樁基布置(單位：cm)

20～23號(hào)主墩為雙薄壁空心墩，截面尺寸為3.5 m×8.5 m，基礎(chǔ)采用22根直徑2.2 m鉆孔樁；19、24號(hào)過(guò)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(chǔ)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(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)主橋成橋階段和施工階段有限元模型，進(jìn)行總體靜力分析。計(jì)算模型共有節(jié)點(diǎn)750個(gè)，單元740個(gè)，其中主梁由376個(gè)單元模擬，墩劃分為364個(gè)梁?jiǎn)卧?。結(jié)構(gòu)采用墩底固結(jié)，邊支座設(shè)置彈性連接，結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算有限元模型如圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算有限元模型

計(jì)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(shí)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(jí)。

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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2018）取值。

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

e）施工臨時(shí)荷載 掛籃荷載按1 000 kN考慮，并考慮其偏心作用。

將風(fēng)荷載分為運(yùn)營(yíng)風(fēng)和百年風(fēng)，其中運(yùn)營(yíng)風(fēng)可與活載進(jìn)行組合。按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）規(guī)定，運(yùn)營(yíng)風(fēng)荷載橋面處風(fēng)速為25 m/s；百年風(fēng)荷載基本風(fēng)速為27.5 m/s。計(jì)算時(shí)按規(guī)范考慮荷載組合工況。

4 上部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

上部箱梁進(jìn)行了正截面抗彎、斜截面抗裂、斜截面抗剪、主梁剛度等計(jì)算，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.1 正截面法向壓應(yīng)力驗(yàn)算

圖6 正截面法向壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

按照規(guī)范要求，標(biāo)準(zhǔn)組合下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件截面最大壓應(yīng)力應(yīng)滿足σkc+σtp≤0.5fck= 0.5×35.5=17.75 MPa。在標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁截面最大法向壓應(yīng)力圖如圖6，可見(jiàn)主梁上緣最大壓應(yīng)力為16.57 MPa，下緣為11.93 MPa，均小于17.75 MPa，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4.2 斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算

按照規(guī)范要求，混凝土的主壓應(yīng)力應(yīng)符合下式規(guī)定：σcp≤0.6fck=21.3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁最大主壓應(yīng)力如圖7所示，其中最大主壓應(yīng)力為16.57 MPa，小于21.3 MPa，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

圖7 斜截面主壓應(yīng)力結(jié)果圖形

4.3 短暫狀況法向應(yīng)力驗(yàn)算

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

圖8 短暫狀況法向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 主墩施工過(guò)程中承載力驗(yàn)算

在懸臂施工過(guò)程中，由于主梁懸臂澆筑進(jìn)度不均勻、掛籃脫落、風(fēng)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(tài)，表1列出最高墩22號(hào)主墩施工過(guò)程最不利工況下的內(nèi)力狀態(tài)，其中風(fēng)荷載重現(xiàn)期系數(shù)0.84，一側(cè)掛籃重1 000 kN，澆筑質(zhì)量不均勻取兩側(cè)懸臂段重量分別乘以1.025，0.975的系數(shù)。表1僅給出左肢下端位置內(nèi)力計(jì)算值。

對(duì)以上各工況進(jìn)行偏壓承載力驗(yàn)算，橫向計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取2.2，縱向計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取1.5，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)施工過(guò)程中最不利狀態(tài)為最大懸臂狀態(tài)加橫向不對(duì)稱風(fēng)荷載，安全系數(shù)為1.66，滿足相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

表1 最高墩22號(hào)墩施工過(guò)程最不利狀態(tài)結(jié)果

表2 最高墩22號(hào)墩施工過(guò)程最不利狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

6 穩(wěn)定性分析

6.1 成橋穩(wěn)定分析

計(jì)算成橋運(yùn)營(yíng)階段穩(wěn)定分析時(shí)，將活載按規(guī)范大小以梁?jiǎn)卧奢d形式加載到模型中，計(jì)算了自重、活載的穩(wěn)定分析，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果可知結(jié)構(gòu)體系的最小穩(wěn)定系數(shù)為18.72。前兩階屈曲模態(tài)振型圖如圖9[4]。

圖9 前兩階屈曲模態(tài)振型

6.2 施工階段穩(wěn)定分析

圖10 主墩前兩階屈曲模態(tài)振型

施工階段穩(wěn)定分析計(jì)算中跨合龍前最大懸臂階段，考慮了自重、一側(cè)掛籃不平衡荷載進(jìn)行屈曲分析。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果得出23號(hào)墩最不利，最小穩(wěn)定系數(shù)為15.97。

7 結(jié)論

本文以一座3×150 m連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)有限元分析，得到了較優(yōu)的受力狀態(tài)。通過(guò)研究，可以得出以下結(jié)論：

a）結(jié)合實(shí)際地形條件，采用主跨3×150 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋型跨越溝谷；橋梁受力性能好，結(jié)構(gòu)剛度大。隨著工程建設(shè)需求的多元化發(fā)展，受地形、跨度、凈空等因素制約，該橋型具有較大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，成為大跨橋梁中首選的結(jié)構(gòu)方案之一[5]。

b）結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析，有效確保選定的結(jié)構(gòu)上下部結(jié)構(gòu)尺寸合理，全橋受力狀態(tài)較合理。

c）穩(wěn)定性分析計(jì)算表明，施工階段最小穩(wěn)定系數(shù)為15.97，相比成橋階段最小穩(wěn)定系數(shù)為18.72，施工階段橋墩更容易失穩(wěn)。其中最大懸臂狀態(tài)下穩(wěn)定性最差，對(duì)橋墩設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義[6]。

d）最大懸臂狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)一般小于成橋狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算顯示，最大懸臂狀態(tài)第一階穩(wěn)定系數(shù)值大于10，第二階穩(wěn)定系數(shù)大于2.5，橋墩具有較大的安全儲(chǔ)備[7]。