連續剛構大橋結構應力分析

劉通

摘要：文章結合桃溪預應力連續剛構大橋工程實例，利用Midas軟件建立了有限元模型，對該橋預應力梁進行了彈塑性分析，并通過對其上部結構和下部結構進行內力計算、控制界面的應力驗算、變形驗算等，分析了該橋的設計特點及結構應力。

關鍵詞：連續剛構;成橋應力分析;懸臂現澆;應力驗算;承載能力驗算

中國分類號：U441+.5文章標識碼：A240914

0 引言

桃溪預應力連續剛構大橋位于我國賀州市昭平縣，該地區處于構造剝蝕侵蝕緩坡丘陵地貌區，沿橋軸線地面高程一般為15～21 m，主要河流有桂江及其一級支流思勤江（即走馬河），屬珠江流域西江水系，方向自北向南;境地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，氣候溫和且雨量充裕，年平均氣溫20.1 ℃，年降雨量>2 056 mm，線路區植被較為發育。橋墩位于覆蓋層主要由第四系沖洪積（Qpal+pl）成因的淤泥質黏土區域;橋墩下伏基巖為燕山晚期侵入的強風化泥灰巖，樁基鉆孔位于強風化巖地下水位埋深約9.3～10.3 m處。沿線地下水可劃分為碎屑巖孔隙裂隙水、巖溶水、第四系孔隙水三大類，以碎屑巖孔隙裂隙水為主，巖體節理裂縫較為發育，巖體破碎-較破碎為主。

綜上所述，連續剛構橋無論是從橋梁橋型還是經濟層面考慮，均有一定的競爭優勢，而且在國內技術成熟，具有普遍性、可行性、實用性等特點，現針對桃溪剛構大橋的結構應力合理性進行分析研究，可為廣西丘陵地貌地區高速公路的同類型橋型設計提供參考。

1 工程概況

桃溪橋為賀州至鐘山高速公路（鐘山至昭平段）上的一座控制性橋梁，主橋采用85 m+130 m+85 m預應力混凝土連續剛構橋，邊主跨比為0.65，橋梁設置為單項縱坡，坡度為1%;該橋按設計時速為100 km/h、公路-Ⅰ級汽車荷載、雙向兩車道高速公路標準建設;橋墩采用薄壁墩結構形式，屬于柔性墩，自身抗剪能力強，能夠較好承受墩頂傳來的水平力（主要為制動力或牽引力），墩底承受的彎矩、梁內的軸力比較大，適用于剝蝕侵蝕緩坡丘陵地貌區，主橋橋型布置見下頁圖1。

2 結構特點

連續剛構橋主要通過梁墩固結連接的方式，對橋梁的主梁進行固定，同時將橋墩與其融為一個整體，在橋梁自重和運營狀態下，橋墩會接收到主梁所傳遞的荷載，橋墩支座頂及其附近產生負彎矩，跨中產生一部分正彎矩，彼此之間相互抵消，從而使內力結構較為均勻。混凝土預應力連續梁橋一般為超靜定結構。在高墩大跨徑橋梁中，與斜拉橋梁結構體系比較，連續梁體系完整、受力均勻且對基礎要求相對較低;與拱橋結構體系相比，連續梁具有跨中彎矩小、承載能力大、節省材料、橋跨連接無須設置伸縮縫從而行車舒適平順等優點[1]。

3 主橋上部結構

主梁采用單箱單室變截面連續箱梁，內部設置縱、橫、豎三向預應力束，箱梁采用C50鋼纖維混凝土，按照規范《大跨徑連續剛構設計的指南》（JTG D62-2004）中關于箱梁一般尺寸構造的規定，全截面箱梁頂板寬度為12.7 m，橋面寬度為0.6 m（防撞護欄）+2×3.5 m（機動車道）+2×2 m（非機動車道）+0.5 m（中央分隔帶）+0.6 m（防撞護欄），橋面采用10 cm防水混凝土鋪裝層和8 cm的瀝青混凝土、磨耗粘合層，總計18 cm，橋面設置橫坡為2%。懸澆底板寬度為7.1 m，箱梁懸臂板長度為2.8 m，箱梁頂板翼緣端部厚度為0.25 m，頂板厚度為0.35 m，底板厚度由支座處截面的0.85 m至跨中的0.26 m;腹板寬度為0.45 m，支點截面梁高采用主跨跨徑的1/20～1/15，取1/18，即支座梁高7.13 m。跨中截面梁高為主跨跨徑的1/50～1/30，取1/50，即跨中梁高2.7 m，梁底曲線根據《混凝土連續梁設計指南》中的相關規定，選取1.8次拋物線[2]，見圖2。

縱向預應力束設計分別采用19股、25股、27股3種不同股數鋼絞線，對應頂板束采用OVM27-27型錨具、腹板束采用OVM12-12型錨具、底板束采用OVM9-9型錨具，單個錨具的設置回縮量為6 mm;管道采用塑料波紋管成孔;預應力鋼絞線采用公稱直徑為S=15.2 mm，其對應公稱面積S=140 mm2;標準抗拉強度值fpk=1 860 MPa，張拉控制力σcon=0.75，fpk=1 395 MPa;豎向預應力筋采用單根公稱直徑32 mm的精扎螺紋鋼筋，YGM32型錨具;橫向采用3根公稱直徑S15.2 mm預應力鋼絞線，BM15-2扁平錨具。所有鋼絞線均符合ASTM416-87A的技術標準[3]，預應力鋼束布置見圖3、圖4。

4 內力計算及荷載組合

4.1 模型簡介

橋梁總長300 m，邁達斯建模共設置76個單元、83個截點、16個施工階段;兩端滿堂支架法施工，中跨平衡掛籃施工;每一個施工階段從0#塊開始左右自成一個單元，設置了每個施工段能實現的單元，同時還模擬預應力筋的布置;全橋主跨單元是懸臂澆筑法施工，利用Midas模擬不同施工環節，在恒載作用基礎上，進行橋梁結構、溫度梯度以及混凝土收縮、NT和PSC截面的計算。從材料與截面特性到定義施工階段，再到PSC的截面分析，要考慮預應力的布置以及梁單元內里圖分布是否合理，這取決于橋梁截面最大剪力與彎矩的控制設計，見圖5。

4.2 荷載工況計算結果

在Midas模型的支持下，結合橋梁項目具體參數數值，對于車道的設計，根據相關規范橫向折減數值為0.78，同時考慮載荷荷載效應，確定最終的折減系數。需要注意的是，車道荷載作為汽車荷載中的組成元素，要嚴格按照公路Ⅰ級車道荷載要求，標準值Qk=10.5 kN/m，集中荷載標準值PK= 360 kN。剪力效應PK值應乘以一個因數P=1.2，車道廣泛均布荷載應滿布在結構相同的線數的最不利影響處，只有作用于高峰影響線，才能得到理想狀態。

桃溪連續剛構橋采用的是懸臂澆筑法施工，因此施工階段應力分析主要考慮恒荷載（自重）、施工荷載、混凝土徐變和收縮、預應力束等因素，最大、最小應力狀態見表1。

根據Midas軟件計算結果得知，在考慮最不利因素影響下，施工階段梁段截面均滿足規范設計要求;在極限狀態下梁段截面上緣處最大、最小主壓應力也分別在允許應力值范圍內，說明結構受力情況良好，結構的抗彎、抗剪極限承載力均滿足規范設計要求。在正常施工階段組合工況下，數據表明1/2、1/4跨中處壓應力較為集中，從側面說明梁體下撓程度也較大。在預應力鋼束錨固和梁體收縮徐變作用下，主壓應力最大值為-1.84 MPa，略微偏大。跨中截面出現主壓應力偏高，但箱梁截面應力突變仍在允許值范圍內，可平穩地進行下一階段的邊中跨合龍。

分析桃溪連續剛構成橋合龍時，整個應力分析以邊跨合龍、中跨合龍、成橋運營3個狀態為主，除了工況荷載疊加風荷載之外，基礎沉降方面以及預應力損失等都需要綜合考慮。根據承載力驗算，若處于正常狀態，邊中跨合龍成橋結構截面最小壓應力為-0.2 MPa，最大壓應力為17.6 MPa，與施工階段相比，數據處于規范值。

成橋運營階段，連續剛構結構計算考慮包括橋梁自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、工況荷載疊加、溫度梯度、風荷載、汽車荷載的作用，同時對施工過程中梁體截面進行了應力驗算，結果滿足規范設計要求，見表2。

5 墩身彈塑性分析

通過Midas模型分析墩身彈塑性，避免運營期間梁體產生橫向扭矩和縱向剪力傾覆而導致墩身失穩破壞，要分散荷載在墩頂部位的集中力。此橋墩身高40 m，下部結構混凝土采用C40材料，軸心抗壓值fck=26.8 N/mm2;軸心抗拉值為ftk=2.4 N/mm2;箱梁采用C50材料，預應力鋼束彈性模量為2.0×107，線膨脹系數為1.0×10-5;下部結構采用混凝土C40材料，墩身和梁體軸心抗壓值均為fck=26.8 N/mm2;軸心抗拉值均為ftk=2.4 N/mm2;彈性模量均為2.35×104 MPa，橋墩、主梁混凝土材料容重均取值0.2，極限壓應變系數取值0.04。

同時考慮最大懸臂和成橋合龍狀態下的結構荷載：工況一（橋梁自重+溫度梯度作用）;工況二（結構自重+車輛荷載+風荷載）;工況三（二期恒載+車輛荷載+風荷載）。模型結果顯示橋墩穩定性滿足規范要求，橋墩彈塑性穩定系數見表3。

6 結語

連續剛構特大橋均適用于丘陵地區、山地峽谷地區等險峻地形地貌，但由于連續剛構縱向剪力和橫向扭矩結構受力特點，加上溫度梯度變化、混凝土收縮徐變、施工不規范等因素影響，可直接導致支座0#節塊出現橫向裂縫、成橋跨中主梁撓度過大、箱梁內部應力檢測不合格等缺陷。

通過連續剛構特大橋箱梁關鍵截面的應力監測，研究施工過程中應力變化，為橋梁施工及運營安全提供了保障。在桃溪大橋合龍成橋階段和運營階段，結構應力狀態均較為穩定，梁體預應力裂縫是否產生取決于對結構尺寸方面的精準控制以及及時掌握結構受力狀態。從施工質量、精細測量、外觀尺寸及模板高程糾偏等要點進行監測，結合梁體節段混凝土澆筑后及時養護、避免錨端張拉后應力損失、收集應力監控和成橋靜載實驗過程信息等舉措，特別針對連續梁剛構箱梁進行科學規范設計，能保證成橋后連續剛構恒載受力穩定，減少跨中及支座處的橫向張拉裂縫，讓墩梁固結與預應力筋共同參與工作，使得運營期間車輛活載引起的跨中彎矩及其恒載內力都在規定的標準值區間，從而保證連續剛構特大橋使用運營壽命得以延長。

桃溪連續剛構特大橋于2019年6月份已順利合龍，桃溪連續剛構特大橋從懸臂澆筑狀態到成橋運營狀態其撓度變化和結構應力狀態都較為良好，此橋的成功建設對于廣西喀斯特丘陵地貌山區的橋梁建設具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]楊光強，吳 輝，吳定超.超高墩大跨徑連續剛構橋設計[J].交通科技，2014（4）：1-4.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]孟昭敏，李學軍.預應力施工技術在公路橋梁中的要點分析[J].建筑工程技術與設計，2015（19）：832.

[4]馬寶林.高墩大跨徑連續鋼構 [M].北京：北京人民交通出版社，2002.