大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與受力性能研究

支曉飛

（安徽開源路橋有限責(zé)任公司,安徽 合肥 230088）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，橋梁建造技術(shù)得到了飛躍式發(fā)展。大跨徑橋梁中常用的結(jié)構(gòu)形式有T 型剛構(gòu)、連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)，其中連續(xù)剛構(gòu)橋[1-3]在施工中不存在體系轉(zhuǎn)換，主墩無支座，全橋伸縮縫只有兩道，行車舒適性較好，并且順橋向的抗彎剛度和橫橋向的抗扭剛度均較大，能滿足大跨徑橋梁的受力要求，受溫度及混凝土收縮徐變較小，因此被廣泛地運(yùn)用于工程中。

關(guān)于連續(xù)剛構(gòu)橋的研究及應(yīng)用有許多，其中蔡建明[4]等人基于實際的工程對高墩剛構(gòu)橋進(jìn)行研究，提出相關(guān)設(shè)計方法為類似工程提供參考價值。游鑫[5]基于實際的工程對大跨高低墩連續(xù)剛構(gòu)橋的施工及主墩的受力進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)高低墩剛構(gòu)橋的墩高比為1 ∶2 時，選擇柔度較大的雙肢薄壁墩和組合式墩更好。李樂天[6-7]等人以實際的工程案例背景對高低墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的力學(xué)行為進(jìn)行研究，研究表明高墩比是影響主墩內(nèi)力的主要影響因素，并且發(fā)現(xiàn)混凝土的容重對主梁的擾度影響較大。劉明[8]結(jié)合大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋常見的病害對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計要點進(jìn)行研究，結(jié)果表明在進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)注意對預(yù)應(yīng)力束、箱梁尺寸及配筋等的設(shè)計，以防止裂縫、下擾等病害的產(chǎn)生。梁榮[9-10]等人通過實際的工程案例對連續(xù)剛構(gòu)橋的施工技術(shù)進(jìn)行研究，提出保障架構(gòu)合攏精度、成橋線形與受力狀態(tài)的措施。現(xiàn)有的研究已取得一定成果，但在數(shù)值模擬的分析方面還存在一些不足。

為此，該文在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，借助有限元軟件對高低墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的剛度設(shè)計及主梁受力性能進(jìn)行研究，希望該文的研究能為行業(yè)的發(fā)展提供參考價值。

1 大跨度剛構(gòu)橋的剛度設(shè)計分析

該文采用Midas Civil 有限元軟件建立連續(xù)剛構(gòu)橋梁模型，該次建模根據(jù)實際的工程案例進(jìn)行，工程中的主梁采用二次拋物線變高的單箱單室箱梁截面，箱梁的頂寬為10.2 m，梁底寬度為8.2 m，主墩的墩頂處2 個為13.6 m，主跨的梁高為7.1 m，主墩中的頂板的厚度為0.65 m，腹板的寬度為1.20 m，底板的厚度為1.20 m；主梁中頂板的厚度為0.65 m，腹板的寬度為0.6 m，底板的厚度為0.55 m。該工程中的橋梁分為三跨，長度分別為98 m（小里程邊跨）、192 m（中跨）和94 m（大里程邊跨），在模型中主梁和墩身均采用空間梁單元進(jìn)行模擬，梁墩之間采用主從的關(guān)系進(jìn)行處理，主墩下部的群樁基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為墩底彈性支承，荷載采用均布荷載分配到主梁單元上方，模型的三維圖如圖1 所示。

圖1 大跨度剛構(gòu)橋剛度分析三維模型圖

1.1 梁高的剛度影響分析

為分析不同的梁高對高低跨大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋剛度的影響，該文模型分析是在保證梁寬不變的情況下設(shè)置五組不同的梁高進(jìn)行分析，其中箱梁的梁頂寬為10.2 m，梁底寬為8.2 m，梁高分別為6.5~13.0 m、6.7~13.2 m、6.9~13.4 m、7.1~13.6 m、7.3~13.8 m，另外頂板的板厚為650 mm，底板的厚度為0.55~1.2 m，腹板的厚度為0.6~1.2 m 保持不變，具體的結(jié)果如表1 所示。

表1 梁高對剛度的影響結(jié)構(gòu)表

從表1 中可以看出，在保持連續(xù)剛構(gòu)橋梁寬不變的情況下，隨著梁高的增加，結(jié)構(gòu)的第一階段周期逐漸增大，第二階段周期逐漸減小，對第三階段的周期影響不大；從跨中的豎向擾度及橫向水平位移可以看出，梁高的增加，在荷載作用下結(jié)構(gòu)的跨中豎向擾度逐漸減小，對跨中橫向水平位移的影響較小，由此可見梁高為連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中豎向擾度影響較大，梁高的增加，能明顯提高結(jié)構(gòu)的剛度。

1.2 梁寬的剛度影響分析

為分析不同的梁寬對高低跨大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋剛度的影響，該文模型分析時在保證梁高不變的情況下設(shè)置7組不同的梁寬進(jìn)行分析，其中梁高由跨中7.1 m 按二次拋物線逐漸變至支點梁高13.6 m，箱梁的梁寬分別為梁頂寬10.2 m，梁底寬8.6 m；梁頂寬10.2 m，梁底寬8.4 m；梁頂寬10.2 m，梁底寬8.2 m；梁頂寬10.2 m，梁底寬8.0 m；梁頂寬10.2 m，梁底寬7.8 m；梁頂寬10.4 m，梁底寬8.2 m；梁頂寬10.6 m，梁底寬8.2 m；另外頂板的板厚為650 mm，底板的厚度為0.55~1.2 m，腹板的厚度為0.6~1.2 m 保持不變，具體的結(jié)果如表2 所示。

表2 梁寬對剛度的影響結(jié)構(gòu)表

從表2 中可以看出，在保持連續(xù)剛構(gòu)橋梁高不變的情況下，隨著梁寬的增加，結(jié)構(gòu)的第一階段周期逐漸增大，可以發(fā)現(xiàn)梁底寬度的增加對第一階段周期的影響較大；在梁頂寬度不變的情況下對第二階段周期幾乎不影響，說明梁底寬度的增加對第二周期的影響不大，梁頂寬度的增加對第二周期有一定的影響；在梁頂寬度不變的情況下第三周期隨梁底寬度的增加而增大，在梁底寬度不變時隨梁頂寬度的增大而減?。粡目缰械呢Q向擾度及橫向水平位移可以看出，當(dāng)梁頂寬度一致時，隨著梁底寬度的增加，跨中豎向擾度和橫向水平逐漸增大，當(dāng)梁底寬度一致時，隨著梁頂寬度的增加，跨中豎向擾度和橫向水平位移逐漸減少，說明增加梁頂寬度比增加梁底寬度對結(jié)果更有利。

2 主梁受力性能分析

該工程在進(jìn)行施工時，主橋梁梁體采用懸臂灌注法進(jìn)行施工，主梁的合龍是采用先現(xiàn)澆合龍邊梁，后合龍中梁的施工順序進(jìn)行施工，施工中的主梁使用的混凝土強(qiáng)度等級為 C55。該文通過數(shù)值模擬分析主梁在施工階段和運(yùn)營階段的受力性能，為進(jìn)一步分析，對模型中進(jìn)行墩頂編號，如圖2 所示。 模擬計算時的恒載包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮 徐變、二期恒載及基礎(chǔ)的不均勻沉降；主力包括活載、 附加力由縱橋向附加力和橫橋向附加力。

圖2 主梁數(shù)值模擬墩頂編號圖

2.1 主梁的豎向剛度分析

通過數(shù)值模擬軟件對施加活荷載情況下的主梁豎向剛度進(jìn)行分析，具體的結(jié)果如表3 所示。

表3 主梁的剛度分析結(jié)果表

從表3 中可以看出，在列車豎向靜活載的作用下，主梁的剛度能滿足規(guī)范的要求。

2.2 施工階段主梁的應(yīng)力分析

該文通過數(shù)值模擬對主梁在施工階段的應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計分析，具體結(jié)果如表4 所示。

表4 主梁施工階段的應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計表

從表4 中可以看出，在施工階段主箱梁的最大壓應(yīng)力和最小壓應(yīng)力能滿足規(guī)范要求。

2.3 運(yùn)營階段主梁的應(yīng)力分析

該文根據(jù)有限元軟件對主梁在主力組合作用下和主加附組合作用下的正截面混凝土壓應(yīng)力進(jìn)行分析，具體的結(jié)果如表5 所示。其中的主力組合包括兩種兩組荷載組合分別為結(jié)構(gòu)自重+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+二期恒載+活載和結(jié)構(gòu)自重+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+二期恒載+不均勻沉降+活載，在該荷載組合下，混凝土的壓應(yīng)力應(yīng)不大于0.5 fc并且不能出現(xiàn)拉應(yīng)力，主加附加組合也包括兩組荷載組合分別為主力+橫橋向附加力和主力+縱橋向附加力，在該組合下，混凝土的壓應(yīng)力應(yīng)不大于0.55 fc并且不能出現(xiàn)拉應(yīng)力，最不利的荷載組合分別為主力、主力+附加力進(jìn)行組合。

表5 主梁運(yùn)營階段的應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計表

從表5 中可以看出，在運(yùn)營階段主箱梁的最大壓應(yīng)力和最小壓應(yīng)力能滿足規(guī)范要求。

另外該文通過數(shù)值模擬對主梁的正應(yīng)力進(jìn)行分析，具體的結(jié)果如表6 所示。

表6 主梁截面的正應(yīng)力模擬計算結(jié)果表

從表6 中可以看出，在運(yùn)營階段主箱梁的截面正應(yīng)力能滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

該文通過有限元軟件對高低墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的剛度設(shè)計及主梁受力性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：增加主箱梁的梁高比梁寬對提高結(jié)構(gòu)的剛度更有效，梁高的增高能顯著減小主梁跨中豎向擾度和橫向水平位移值，從主梁的受力分析可以發(fā)現(xiàn)在施工過程中主跨的合龍能滿足要求，在運(yùn)營過程中主梁僅小范圍出現(xiàn)拉應(yīng)力，其余均為壓應(yīng)力，也能滿足規(guī)范要求。該文僅對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的部分內(nèi)容進(jìn)行研究，有關(guān)研究還有待進(jìn)一步深化。