220 m主跨连续刚构桥设计参数敏感性分析

胡名忠， 任瑞雪

(1.长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114；2.中交城市投资控股有限公司， 广东 广州 510290；3.广州市东升医院， 广东 广州 510000)

大跨度连续刚构桥墩梁固结，与连续梁桥相比取消了支座，施工过程中不用临时固结，也无需在主梁合龙后解除，便于施工。桥墩和主梁固结，使大跨连续刚构桥由汽车、人群等可变作用引起的跨中正弯矩比等跨连续梁桥小。墩梁固结，还能降低跨中梁高，并进一步降低结构自重内力。此外，若采用双肢薄壁墩，墩顶负弯矩比等跨连续梁桥小。因此，高墩大跨连续刚构桥是地形起伏大山区的首选桥型。以往的大跨连续刚构桥参数敏感性分析主要集中在桥墩结构形式、结构尺寸、边中跨比等结构参数对结构内力的影响。该文以一座主跨跨径220 m的连续刚构桥为工程背景，采用MIDAS软件对预应力砼箱梁板厚、对称梁段的不平衡荷载和桥面铺装厚度等进行敏感性分析，既为确定这些指标提供依据，也为桥梁施工控制提供标准。

1 工程背景

某连续刚构桥跨径布置为116 m+220 m+116 m，桥梁立面布置见图1。主梁箱梁断面为单箱单室箱形，桥墩位置处箱梁高13.4 m，中跨跨中梁高4 cm，全桥箱梁顶板全宽12 m、厚0.3 m。

连续刚构桥的单箱单室箱梁单“T”共有26个悬臂浇筑梁段，其中0#梁段长12 m，1#～26#梁段节段划分为(5×3+4×3.5+5×4+12×4.5) m，边跨和中跨合龙段长均为2 m。连续刚构桥两个主墩的两个T构采用对称悬臂挂篮施工，0#梁段采用托架法浇筑施工，两边跨现浇段采用搭设托架的方法施工。

图1 连续刚构桥立面布置(单位：标高为m，其他为cm)

2 有限元计算模型

应用有限元软件建立该桥考虑施工全过程的空间有限元计算模型，考虑165种工况的施工过程，全桥共267个节点、282个单元。图2为有限元计算结构离散图。定义6种材料参数、46种截面类型。

图2 连续刚构桥有限元计算结构离散图

3 计算结果与设计参数敏感性分析

3.1 有限元计算结果

该连续刚构桥施工过程中结构的最不利应力计算结果见表1，成桥状态作用效应组合最不利应力计算结果见表2。

表1 施工过程中结构最不利应力计算结果

表2 成桥状态作用效应组合下最不利应力计算结果

从表1、表2可看出：施工过程中和成桥状态下主梁压应力均有一定储备，该桥主梁采用55号砼，JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》的允许值为17.75 MPa；桥墩压应力也有一定储备，桥墩采用50号砼，JTG D60-2015的允许值为16.2 MPa。施工过程中主梁和桥墩存在较小的拉应力。由于只在施工过程中出现很小的拉应力，成桥状态结构未出现拉应力，且压应力尚有一定储备，该桥结构安全，结构设计合理可行。

3.2 设计参数敏感性分析

3.2.1 对箱梁板厚的敏感性分析

《公路桥涵施工技术规范》规定顶板、底板、腹板和横隔板厚度可比设计尺寸厚1 cm，但不能比设计尺寸薄。取箱梁设计板厚(顶板设计厚度为0.3 m；底板厚度为1.2～0.32 m；箱梁腹板厚度分成5种规格，分别为1.05、0.95、0.8、0.65、0.5 m)、板厚增加1和2 cm 3种情况分别建立有限元模型，分析不同箱梁板厚下的结构行为，结果见表3。

表3 不同板厚结构的不利应力和位移比较

从表3可看出：板厚增加1 cm，主梁最不利压应力尚未超标，主梁采用55号砼，JTG D60-2015的允许值为17.75 MPa，对结构线形的影响不太大；板厚增加2 cm，主梁最不利压应力已超标，对结构线形的影响较大，达7.2 cm。

3.2.2 对不均匀荷载的敏感性分析

挂篮悬臂浇筑要求对称进行，而实际施工时很难做到完全对称，一般设计图会给出不对称荷载限制值，不同设计单位取值大小可能不同，许多连续刚构桥和连续梁桥给出的限制值是20 t，取值是否合适值得研究。

(a) 单个梁段出现200 kN不对称荷载。分别对中跨6#、11#、16#、21#和26#梁段出现200 kN不对称荷载对结构的影响进行计算分析，结果见表4。从表4可看出：单个梁段出现200 kN不对称荷载对应力的影响均不大；对线形的影响则不尽相同，16#梁段出现200 kN不对称荷载对线形的影响为1 cm，21#梁段出现200 kN不对称荷载对线形的影响为2 cm，26#梁段出现200 kN不对称荷载对线形的影响为3.5 cm。从线形角度，对悬臂前端的梁段给出200 kN不对称荷载的限值是不合适的；21#～26#梁段出现200 kN不对称荷载较不利，其不对称荷载应控制在100 kN以内。

表4 单个梁段出现200 kN不对称荷载对结构的影响

(b) 连续多个梁段出现200 kN不对称荷载。如果仅在设计图纸中给出对称梁段的不对称荷载的控制限值为20 t，则因一般施工作业队的作业习惯相同，许多桥梁施工作业队的作业面相对固定，可能出现挂篮悬浇梁段一侧的梁段均比对称的另一侧梁段重或轻的情况。考虑这种最不利极限情况的影响，分别建立主跨1#～6#梁段、主跨1#～11#梁段、主跨1#～16#梁段、主跨1#～21#梁段、主跨1#～26#梁段连续多个梁段出现200 kN不对称荷载的有限元计算模型，分析其对线形和应力的影响，结果见表5。从表5可看出：连续多个梁段出现200 kN不对称荷载对应力的影响不尽相同，若主梁主跨1#～26#梁段连续26个梁段出现200 kN不对称荷载，将出现1.44 MPa的不利应力，影响较大；对线形的影响也不尽相同，主跨1#～16#梁段连续16个梁段出现200 kN不对称荷载对线形的影响为3.9 cm，而主跨1#～26#梁段连续26个梁段出现200 kN不对称荷载对线形的影响达到17.3 cm，对线形控制而言无异于灾难。从线形和应力的角度，应避免连续多个梁段出现不对称荷载的情况。

表5 主跨连续多个梁段出现200 kN不对称荷载对结构的影响

3.2.3 对桥面铺装厚度的敏感性分析

该连续刚构桥桥面铺装厚度设计为9 cm。施工技术规范及评定标准规定，沥青砼桥面铺装的厚度应控制在(-5，+10) mm。砼箱梁桥面铺装厚度不易控制，因为砼箱梁大都采用挂篮悬臂浇筑，顶板采用整平机收坡的很少，大部分采用人工横坡，砼箱梁顶板的平整度一般难以达到理想状态。而且为了减轻自重荷载，改善结构受力从而使桥梁设计经济，跨度超过200 m的连续刚构桥大都不设调平层，而只设置9～12 cm沥青铺装层。如果不采取一定控制措施，在桥面平整度不太理想的箱梁上直接施工桥面铺装，很可能使桥面铺装厚度超厚或减薄(从行车舒适性的角度，一般更倾向于桥面铺装厚度厚一些)，对结构影响程度如何需计算论证。为此，分别建立桥面铺装设计厚度9 cm、增加1 cm、增加2 cm和减薄0.5 cm 4种情况的有限元计算模型，分析其对结构不利应力和位移的影响，结果见表6。

从表6可看出：桥面铺装厚度增加1 cm，对结构应力和线形的影响均不大。如果该桥顶面平整度控制不好，可考虑将桥面铺装调整为10 cm。调整后结构最大压应力为16.9 MPa，和规范限值相比仍有富余。

表6 不同桥面铺装厚度下结构不利应力和位移比较

4 结论

(1) 该连续刚构桥箱梁板厚增加1 cm，主梁最不利压应力尚未超标，对结构线形的影响也不大；板厚增加2 cm，主梁最不利压应力已超标，对结构线形的影响也较大。为了给主梁应力一定的压应力储备，箱梁设计尺寸是合理的；但在主梁悬臂施工过程中应严格控制板厚和超重，如果板厚增加2 cm，对结构应力和线形均不利。

(2) 对于该连续刚构桥，对悬臂前端梁段给出200 kN不对称荷载的限值不合适；21#～26#梁段出现200 kN不对称荷载较不利，其不对称荷载应控制在100 kN以内。对于大跨连续刚构桥，给出对称梁段的不对称荷载的控制限值为20 t的限制并不合适，应通过计算论证确定该限值。

(3) 该连续刚构桥桥面铺装厚度增加1 cm对结构应力和线形的影响均不大，若考虑将桥面铺装厚度调整为10 cm，调整后结构最大压应力为16.9 MPa，和规范限值相比仍有一定富余。