鐵路連續剛構橋設計優化分析

潘文濤

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200000）

1 概述

某鐵路橋為（75+128+75）m 預應力混凝土連續剛構。連續剛構橋平面位于直線上，設計荷載為ZK荷載。上部構造懸澆施工，箱梁等寬變高，采用單箱單室直腹板截面。中支點根部梁高9.686m，邊支點及中跨跨中梁高5.686m，箱梁頂板寬12.2m，底板寬6.7m。主墩墩身高度分別為23.0m、21.5m；承臺尺寸為15.2m×11.2m×4m。基礎采用12 根直徑2.0m 的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計。

2 結構受力分析

2.1 橋梁結構建模

根據初步設計提供資料，橋梁計算跨度（75+128+75）m，支座中心到梁端0.75m，橋梁全長279.5m。連續剛構主墩采用矩形空心墩，剛構主墩墩身高度分別為23m、21.5m。初步設計擬定主墩下部構造為矩形空心墩，墩身尺寸8.4m（橫橋向）×7m（順橋向），壁厚1.35m。矩形空心墩一般斷面如圖1。

圖1 矩形空心墩橫斷面（單位：厘米）

本文采用橋梁結構分析系統BSAS 軟件建立結構分析模型，全橋共劃分為137 個單元，共計140 個節點，其中主橋梁單元94 個。主墩墩梁固結，樁基采用等效矩形截面模擬，樁底固結，樁頂設置側向約束。BSAS結構計算模型如圖2。

圖2 BSAS 計算模型

2.2 計算分析結果

本項目通過模擬懸澆施工的過程，懸澆掛籃荷載按照100t 設計，懸澆梁段按照單元施工→張拉預應力→移掛籃的順序進行施工過程模擬，中跨合龍前對已澆筑梁體對稱施加對頂力。梁體中跨跨中控制截面主要計算結果如表1。

表1 梁體應力計算結果（跨中控制截面）

由表1可以看出：在主力+附加力組合工況下，中跨跨中的應力均能滿足規范要求，且有一定的應力儲備。但是在對梁體進行正截面強度安全系數進行檢算時，程序給出的中跨跨中截面檢算結果強度不滿足規范要求，且判定截面的受力特點為大偏心受拉構件。連續剛構上部構件為受彎構件，出現大偏心受拉，意味著梁體軸向內力為拉力。連續剛構出現上部結構軸向拉力的主要因素有溫度、鋼束的次效應、收縮徐變等。對本項目中跨的軸向內力進行單項分析，在恒載、溫度、沉降等工況下，中跨均出現了軸向拉力，各工況下的軸向內力如表2。

表2 梁體分項荷載下軸向內力（單位：kN）

由表2可以看出，在恒載和溫度作用下中跨梁體出現較大的軸向拉力，該軸向拉力應為正截面強度安全驗算中出現大偏心受拉構件的主要原因。對恒載下軸向內力的產生原因進行分析，主要是由梁體收縮徐變和鋼束次效應產生。結合恒載下墩頂順橋向位移分別為4.94mm和-4.86mm，認為產生較大軸向拉力的原因為橋墩剛度較大，在鋼束次效應和梁體收縮徐變效應下的墩頂變形和梁體變形協調，梁體因此產生較大的軸向拉力。

2.3 調整空心墩壁厚方案

考慮到初步設計階段橋墩的壁厚為1.35m，尺寸較大，可以通過調整壁厚來降低橋墩剛度，對梁體縱向受力較為有利。調整后墩身壁厚按照0.65m 考慮。對下部結構尺寸進行調整后，維持原上部結構尺寸及縱向預應力鋼束的布置，經計算恒載工況下中跨仍出現了較大的軸向拉力，軸向拉力值為5367kN，相比1.35m 壁厚尺寸下的軸向拉力有所減小。恒載下墩頂順橋向位移分別為3.72mm 和-3.82mm。

通過比較兩種橋墩壁厚尺寸下的計算結果，調整空心墩的壁厚對結構的影響較小，主要影響因素為空心墩的剛度較大，主梁受橋墩剛度影響，產生較大的軸向拉力，對結構不利，需要對橋墩構造進行優化設計。

3 橋墩結構方案優化

考慮到矩形空心墩的剛度較大，對結構受力不利，因此擬采用雙肢薄壁墩。按雙肢薄壁墩建立計算模型，墩身與主梁固結，樁基采用等效矩形截面模擬，樁底固結，樁頂設置側向約束。初步擬定兩種不同方案的橋墩尺寸：①壁厚1.6m，雙肢間距5.4m；②壁厚1.4m，雙肢間距5.4m。經計算，梁體主力+附加力組合下主要計算結果對比如表3。

表3 梁體應力計算結果（雙肢薄壁墩）

根據以上對比結果，雙肢間距5.4m 時，橋梁結構受力較空心墩方案有較為明顯的改善，且中跨受力檢算未出現偏心受拉構件。根據以上計算模型的橋墩內力和施工階段彎矩，經優化計算后最終確定橋墩壁厚1.4m，間距5.6m。優化后橋墩構造如圖3，梁體主要計算結果如表4。

圖3 雙肢薄壁橋墩構造圖（單位：mm）

主墩構造改為雙肢薄壁敦后，梁部整體應力狀態較好，恒載工況下中跨并未出現軸向拉力，主梁及橋墩各項檢算均能滿足相關規范要求，中跨截面強度檢算截面受力特點亦為受彎構件。

4 結語

預應力混凝土連續剛構設計中，主墩的構造設計對主梁的受力狀態影響較大，主墩剛度過大對導致梁體出現軸向拉力，對結構受力不利。在進行連續剛構設計時，應結合橋梁的跨度及墩身高度進行綜合選擇，對于跨度較大、主墩墩身高度較小時，應盡量選剛度較小的構造，避免梁體出現偏心受拉構件；對于高墩的連續剛構，則宜采用剛度較大的構造。