大跨度连续刚构桥双薄壁墩设计参数分析

阮学兴

摘要：采用有限元分析软件，以某大跨度连续刚构桥为例，通过不同双薄壁墩间距，对主梁关键截面的应力和位移、结构自振频率的影响、结构稳定性进行了比较分析，分析结果可为该类桥的设计提供参考。

关键词：连续刚构；双薄壁墩肢距；数值分析

中图分类号： U448.23文献标识码：A

Abstract：In order to study the effect of stress and deformation of the beam, the natural frequency of the structure, and the structural stability under different double-thin-wall distance, a long span continuous rigid frame bridge were analyzed by finite element procedure. The results of analysis and study in the paper may serve as reference to the construction and design of similar bridges.

Key words：continuous rigid frame bridge；double-thin-wall distance；analysis

1 引言

开展大跨度预应力混凝土连续刚构桥设计参数的研究对此类桥梁建设具有重大意义[1]。在双薄壁墩连续刚构桥设计中，如何合理地选择双薄壁墩的肢距是一个关键的问题，凭借经验或类比试算来决定肢距，具有一定的片面性。本文将对某大跨度连续刚构桥双薄壁墩采用不同间距，研究其主梁关键截面的应力和位移、结构自振频率的影响、结构稳定性，为此类桥梁的建设、设计提供参考。

2 工程概况

某正在兴建的某上横跨岷江的一座大桥，主桥为(130.5+235+130.5)m预应力混凝土连续刚构桥。主梁为单箱单室截面，箱梁顶宽16.5m，底宽8.5m，梁高按1.8次抛物线由跨中（端部）5m变化到根部14m。下部结构采用2.5x8.5m矩形双薄壁实心墩，墩高52m。Ⅲ类场地土，抗震设防烈度Ⅶ度。

主梁和桥墩用梁单元模拟，根据桩-土效应模拟桩基，参考施工阶段梁段的划分和预应力钢束的布置，并考虑桥梁实际情况，将全桥分为310个单元，335个节点，分别按双肢距9m、10m、11m建立模型，如下图1所示。

图1 预应力连续刚构桥计算模型

3 结构数值分析

3.1 双肢间距对主梁应力和位移的影响

大跨连续刚构桥梁体与墩柱的弯矩分配是由两者的相对刚度决定的，而温度变化、混凝土收缩徐变等在主梁产生的内力及应力，也与桥梁墩柱的抗推刚度直接相关[1]。根据以上工程实例数值模型，得到不同双薄壁墩间距下主梁关键截面的应力及位移，见图2及表1。

图2荷载标准值下主梁应力

表1 不同肢距下主梁关键截面最大位移

由图2及表1可以得出：在选定的双薄壁墩间距内，主梁截面最大应力随着肢距的增加而略微变化，大部分截面应力随肢距增加而增加，变化范围对主梁的设计不起控制作用。主梁的竖向位移和水平位移都随着双薄壁墩肢距的增加而减小，变化幅度较小。因此，在实际工程设计中，可以在一定的范围内选取较小的双薄壁墩肢距，以减少承台及基础的工程量。

3.2 双肢间距对结构自振频率的影响

在大跨结构的实际工程方案设计中，不同结构形式或参数对对结构动力特性的影响是设计中的重要控制因素。既有的研究只涉及桥墩的截面形式和单双肢墩布置形式对连续刚构桥结构动力特性的影响[2]。本文通过以上模型得到不同薄壁墩肢距下结构的前10阶自振频率及振型特征见表2。

表2 不同双薄壁墩肢距下桥梁的自振频率

从表2可以看出，当双薄壁墩肢距在主跨径的1/21～1/26范围内时，薄壁墩肢距改变对桥梁前10阶频率和振型影响不大。第1阶振型均为顺桥向一致平动，第二阶振型为横向对称。薄壁墩肢距较大时，相对第1阶频率也较大，说明结构纵向刚度有所增强，但基频相差仍不超过6%。因此，薄壁墩肢距在主跨径的1/21～1/26范围内，改变其间距对连续刚构桥动力性质的影响不大。

3.3 双肢间距对结构稳定的影响

稳定问题在桥梁工程中与强度问题有着同等重要的意义。随着桥梁跨径的不断增大，桥墩高耸化、箱梁薄壁化以及高强材料的应用，结构整体和局部的刚度下降，使得稳定问题显得尤为重要[3]。

为了分析此刚构桥墩身的自体稳定性，对以上模型进行成桥以及最大悬臂状态下分5种工况进行第一类稳定分析。

工况1：成桥恒载

工况2：成桥恒载+汽车活载+25m/s行车风

工况3：成桥恒载＋100年一遇风荷载

工况4：最大悬臂施工恒载

工况5：最大悬臂施工恒载+20年一遇风荷载

其中，最大悬臂施工状态，考虑了如下几种不平衡荷载：① 悬浇梁段容重差异，一侧悬臂箱梁自重增大3%。② 施工堆载，一侧悬臂箱梁考虑3KN/m的堆载。③ 梁段浇注不同步引起的偏差，一侧采用1.0末块重，另一侧采用0.5末块重。④ 竖向风力的影响，按照《公路桥梁抗风设计规范》相关规定取值。对应的稳定计算结果见表3。

表3 不同双薄壁墩肢距下桥梁的稳定系数

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》所要求结构构件的强度安全系数K≥1.2x1.25/0.95=1.58，由表4可以看出，无论在成桥或最大悬臂施工状态，稳定系数均远大于安全容许值。对此连续刚构起控制作用的主要是恒载、施工荷载等竖向荷载，风荷载对结构稳定几乎无影响而不起控制作用。因此，在设计中应合理划分施工节段，在施工过程中应注意梁段的同步浇注以及要合理堆放施工机具，避免结构产生过大的不平衡弯矩。

4 结语

运用有限元分析软件对某上跨岷江的在建大跨度连续刚构桥进行了数值分析，提出如下结论和建议：

（1）双薄壁墩肢距在（L/20～L/26）范围内时，可不考虑其间距变化对主梁的应力及位移的作用。

（2）双薄壁间距在常见的肢距变化时，结构的动力特性改变不大，不会影响设计方案的变更。

（3）在常见的双薄壁墩肢距（L/20～L/26）范围内，为节省下部承台及基础的工程量，可选取较小的双薄壁墩肢距。最小肢距可由施工中不平衡弯矩来确定。

参考文献

[1] 徐岳，郝宪武，张丽芳.《连续刚构桥双薄壁墩参数方法研究》.中国公路学报2002

[2] 周勇军，贺拴海，宋一凡，等. 连续刚构桥单双薄壁墩地震响应的对比分析 [J].中外公路, 2007, 27(3):114-117.

[3] 李国豪. 桥梁结构稳定与振动 [M]. 北京：中国铁道出版社,1996

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。