連續剛構橋梁結構設計及穩定性研究

鄒宇峰 湖南交通職業技術學院講師

連續剛構橋梁作為一種在高墩、大跨橋中廣泛應用的柔性適應橋梁，橋梁跨度大，有利于滿足建設要求。在連續剛橋梁建設中，此結構的橋梁具有承載能力強、適應性強等優勢，能為建設企業帶來更高的經濟效益[1]。在連續剛構橋梁設計過程中，應當關注結構穩定性，觀察結構設計是否合理及安全。對此，本文以3 m×150 m 預應力混凝土連續剛構橋梁為案例，對結構設計進行分析。

1 連續剛構橋梁的常見問題

1.1 箱梁開裂

第一，腹板斜裂縫。該問題也稱為剪切裂縫，是箱梁中最容易發生的問題，發生該問題與橫截面拉力及應力指標過大息息相關，截面尺寸不足及腹板發生彎曲容易誘發拉應力指標偏大的情況，進便會出現腹板斜裂縫。裂縫一般出現在主跨L/4 位置及邊跨點周圍。

第二，底板縱向裂縫。該裂縫與底板橫彎不規則受力具有相關性，在底板應力影響下會導致底板發生崩裂問題。連續剛結構底板曲線一般是拋物線結構，一旦底板應力發生變化，容易自鋼束中產生巨大的徑向力，一旦發生橫向變形，也容易導致底板產生裂縫，伴隨連續剛結構發生變形，縱向裂縫的發生率較高。加之連續剛構底板具有較多的束板，在預應力施工階段容易發生底板崩裂問題[2]。

第三，頂、底部誘發橫向裂縫。在箱梁配置不全面的情況下，容易發生預應力改變，底板會出現橫向裂縫。

1.2 跨中下撓

早期建設連續剛構橋梁的過程中，跨中下撓是非常常見的問題，隨著剛構跨徑增大，病害問題加重。比如，黃石大橋的主跨徑距離為245 m，經過為期10 年的觀察，下撓指數是323 mm。對此，在設計過程中應關注預應力降低情況，一旦預應力發生長期損失，結構中的預應力強度不足會導致工程建設質量降低。

1.3 高墩剛度不足

大跨度連續剛構橋梁在施工過程中，會遇到地形復雜的地區。比如赫章特大橋的主墩高度為195 m，也被稱為亞洲第一高墩；三河水特大橋的最高主墩為183 m。此類超高墩剛構橋梁一般跨度大，伴隨橋址風速變化，橫向荷載隨之發生變化，橋墩橫向剛度較高。但很多施工單位并未對高墩橋梁發生位移的情況展開分析，導致連續剛結構橋墩剛度不足，一旦出現橫風，橋梁容易橫向移動，導致位移度過大，會降低行車及行人的舒適性[3]。

2 連續剛構橋梁結構的受力特點

在現代橋梁工程中，連續剛構橋梁結構非常常見，包含剛結構及連續橋梁結構，能夠保證橋梁處于最佳的受力狀態。連續剛構橋梁結構的主梁及橋墩具有獨特性，主梁根部跨高為15.7 ～20.6 m，相比同徑、同跨橋梁結構，跨中區域的正彎矩小。連續剛構橋梁結構具有特殊性，受力特征與剛結構及橋梁結構類似，橋墩固結在主梁及橋墩結合位置，恒載作用下豎向位移及跨中彎矩相同。若橋墩結構形式較為輕薄，橋墩頂部彎曲指標比同跨徑連續梁小，從而有利于減少其中的恒載力。連續剛構橋梁結構具有剛結構及連續橋梁結構的特點，在受力分析中關注混凝土的顏色及溫度等，從而整體增強橋梁的受力能力，為建設高質量的橋梁奠定堅實的基礎。

3 連續剛構橋梁結構設計及穩定性分析

以我國3 m×150 m 預應力混凝土連續剛構橋梁為例，橋梁跨越黑水灘河，河流內常見分流，河流走向呈現U 型，河床寬度及橋位最高位置為40 m 及280 m。該地區的水流量較大，平均洪水位265 m。對橋梁覆蓋系數及全新黏土等展開綜合分析，項目整體設計速率控制在80 km/h；針對技術標準進行分析，遵循高速公路設計的基本標準，路基及單幅橋面指標分別為24.5 m、12 m；針對地震反射周期頻譜進行研究，保持在0.35 s，地震烈度一般是IV 度。主橋位于直線段，引橋起點到K27+086處于圓緩平曲線段，R=915.014 m，A=428.544。為保證橋梁的整體設計要求，還需要對施工過程進行綜合設計，在研究過程中1～4孔選擇錯位布置方式，而2～8孔采取T 梁結構設計。

3.1 上下部結構設計

針對橋梁建設展開分析，還需要掌握上下部結構的設計方法。第一，主梁結構設計。在設計過程中把握箱梁頂板尺寸及底板尺寸，其指標分別為12 m 及6 m，根部及跨中分別為9 m 及3.3 m，梁底曲線根據相關指數進行調整。在設計腹板厚度時，從50 cm 提升到70 cm；底板厚度則是，從32 cm 過渡到100 cm。第二，調整預應力剛束板。主梁選擇三向預應力結構，對實際受力情況展開分析，頂板、腹板及底板鋼束分別為15-19型、15-21型、15-17型。中跨合龍及邊跨丙班選擇15-19 型鋼絞線。主梁預應力鋼束則選擇15-5 型，在工程設計過程中根據實際情況進行選擇，保證鋼絞線強度合理。20-23 號主墩是雙薄空心墩，截面尺寸為3.5 m×8.5 m，根據連續剛橋梁建設需求，對樁基進行合理布設，選擇嵌巖樁結構[4]。

3.2 結構有限元分析

對橋梁設計的靜力情況進行分析，計算模型共計750 個，單元共計740 個，主梁中含有376個單元，墩中有364個梁單元，結構利用墩底固結，邊支座設置彈性連接。在計算荷載的過程中，先計算恒載：一期恒載包括主梁、橫梁等，根據實際斷面設置為26 kN/m3；根據荷載力變化，二期恒載設置為50 kN/m3。在有限元分析過程中，對公路活載及溫度變化進行分析，以獲得主梁截面的相關取值范圍，在基礎變位過程中根據主墩情況展開分析。在風力荷載計算過程中，還需要對運營風活載進行綜合處理，結合我國的相關規范，調整運營風橋面荷載風速為25 m/s，并在有限元分析過程中對荷載組合情況進行分析[5]。

3.3 上部結構靜力分析

上部箱梁中的斜截面抗裂及主梁剛度應當滿足相關規范，采取正截面方法對應力進行計算，針對相關標準計算預應力構件的最大壓力，達到18.75 MPa 即可，在計算過程中對主梁階段的應力進行分析，獲得法向最大應力指標為16.58 MPa，滿足18.75 Mpa 的設計標準，與設計規范相符。

3.4 主墩施工承載力驗算

針對主梁懸臂進行施工，常出現澆筑不均勻情況，加之掛籃脫落問題，容易導致主墩結構不穩定。因此，主墩施工過程中應當關注內部應力狀態，風荷載系數保持在0.85，一側掛籃載重為1000 kN，澆筑質量不均勻的懸臂段重量再乘以1.024，從而獲得左下肢下端的內力計算值（如表1）。

表1 最高墩22號墩施工過程中的不利情況

3.5 穩定性分析

第一，成橋穩定性分析。對建設的橋梁穩定性展開研究，對活載模型進行統計，并計算活載穩定性，根據結果對最小系數進行分析，最終結果為18.71。第二，施工階段穩定性分析。在橋梁建設過程中，應當關注橋梁建設的穩定性，一側掛籃若不平衡，結構穩定性會受到影響。

4 結語

在連續剛構橋梁結構設計過程中，容易發生梁開裂及橋墩剛度不足問題，設計過程中應當采取有效的應對措施，可采取優化上部結構及合理設置預應力鋼束等方法。在橋梁施工過程中也要關注結構設計的合理性及穩定性，從而保證橋梁的整體耐久性滿足要求。