大跨度预应力混凝土连续刚构桥设计参数分析

何飞宾 白蓉蓉

(1.贵州科达公路工程咨询监理有限公司，贵州 贵阳 550008； 2.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018)

大跨度预应力混凝土连续刚构桥设计参数分析

何飞宾1白蓉蓉2

(1.贵州科达公路工程咨询监理有限公司，贵州 贵阳 550008； 2.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018)

为研究预应力连续刚构桥主要设计参数的合理取值范围，以某大跨度预应力混凝土连续刚构桥为工程实例，通过建立不同的数值模型，研究连续刚构桥梁底曲线形式、主梁支点高跨比、跨中高跨比、纵向预应力形式及主墩刚度等参数取值与主梁受力间的关系及其变化规律，最终得出了一些有价值的结论。

连续刚构桥，设计参数，有限元法，高跨比，双薄壁墩

1 概述

利用墩的柔度去适应由于混凝土收缩、预应力、温度变化和徐变所引起结构的位移，预应力混凝土连续刚构桥能够更好发挥其力学特性，所以大跨度预应力混凝土连续刚构桥在桥梁选型中颇受欢迎。但在实际应用中，由于结构分析量大，细节繁琐，设计参数的选取往往没有根据实际情况进行分析比较从而得出其最合理的取值，而是根据工程经验以及规范要求，因此，对于连续刚构桥设计参数的合理性研究是很有必要的。近10年来，国内外学者在该方面研究中取得了一定成果[1,2]。2000年，长安大学徐岳等建立了墩顶荷载与双薄壁墩单墩内力之间的关系，给出了连续刚构桥双薄壁墩参数设计方法[3]。2003年，李杰采用回归的方法拟合出刚构桥双薄壁墩的壁厚、墩高、双肢间距与跨径之间的计算公式[4]。2007年，合肥工业大学杨爱武分析了影响箱梁受力的一些主要结构设计参数[5]。2008年，湖南大学李明燕运用正交设计法、遗传算法、神经网络以及两种方法的组合对连续刚构桥进行多目标优化计算[6]。综上所述，国内学者对连续刚构桥的合理参数研究取得了一些成果[7,8]，但是可以借鉴的资料还不是很充分。

本文以某大跨度预应力混凝土连续刚构桥为工程实例，通过建立不同的数值模型，对刚构桥梁底曲线形式、主梁支点高跨比、跨中高跨比及主墩合理刚度等几个方面进行研究。

2 计算模型及结构设计参数分析

以某大跨度预应力混凝土连续刚构桥为原型，该桥上部结构跨径布置为61 m+115 m+61 m，主梁为分离式单箱单室箱梁，桥梁全宽10 m，其中两侧人行道各宽1 m，行车道宽8 m；桥面横坡为双向2%，单箱顶宽为9.5 m，底宽为5.5 m，翼缘悬臂宽2 m；箱梁在墩支点处的截面高度为6.5 m，在跨中及端支点处的高度为2.6 m，箱梁底板上缘及底板下缘均按二次抛物线变化。

运用MIDAS/CIVIL软件建立不同设计参数的结构模型，原桥模型有107个节点、100个单元，如图1所示。主梁、主墩及横隔板的材料都为C50混凝土，预应力筋为钢绞线(1 860 MPa)。模型设计时考虑的荷载有很多，如结构自重、车道荷载、预应力等，但具体分析时只对结构自重、车道荷载及组合荷载作用下的应力及位移进行计算比较。

2.1 梁底曲线线形因素影响分析

在大跨PC刚构桥设计中，主梁常用的截面形式是变截面箱梁，梁底设计为曲线状。有关梁底曲线设计参数的研究在整个桥梁设计中占有举足轻重的地位，因为这会影响到桥梁的结构受力、外形以及工程造价等。为了更好的研究不同梁底曲线线形与主梁结构自重、受力及位移间的关系，采用MIDAS/CIVIL软件对梁底抛物线幂次值取1.5次、2.0次、2.5次这3个具有代表性的模型进行分析计算，分析比较了在自重、车道荷载及组合荷载作用下主梁9个关键截面处的应力、位移。限于篇幅，本文只给出在自重作用下，不同梁底曲线条件下主梁关键截面应力大小，具体情况见表1。

表1 自重作用下不同梁底曲线主梁关键截面上、下缘应力 MPa

由表1可以看出，梁底曲线幂次变化趋势与主梁支点上、下缘应力变化趋势负相关，说明随着梁底曲线幂次增加，主梁支点截面应力得到改善；主梁支点中间所有检测截面的上、下缘应力均增大；1/4L及3/4L截面处上缘拉应力增量最大，为1.69 MPa；3/4L截面处下缘压应力增量最大，为3.1 MPa。

随梁底曲线幂次的增大，主梁压应力减小，因此连续刚构桥梁底曲线幂次的选取不应仅局限于1.5次～2.0次，2.5次也可尝试。考虑到要充分发挥混凝土的受压性能，在设计连续刚构桥梁时应尽量避免拉应力出现。因此，从拉应力及材料数量、压应力方面综合考虑，大跨度连续刚构桥主梁下缘曲线幂次不宜太大也不宜太小，宜取1.5～2.5。

2.2 主梁高跨比因素影响分析

主梁高跨比是连续刚构桥的重要设计参数之一，其取值关系到桥梁的总工程量、预应力布置、主梁受力性能、桥下净空及美观等。据有关统计资料：国内已存连续刚构桥支点高跨比取值，通常在0.050～0.059内，更多的是在0.056 2～0.056 5之间；国外支点高跨比分布在0.070～0.040内，更多的是在0.060～0.050之间。国内跨中高跨比分布在1/40～1/73内，且主要集中在1/55～1/66.7内；国外跨中高跨比在1/27.8～1/91内，且主要分布在1/40～1/67之间。根据以上取值范围，本文分别选择1/16.4，1/17.7，1/25共3个支点高跨比来建立模型；跨中高跨比相应地分别取1/32.9，1/44.2，1/50。高跨比分析时计算荷载与梁底曲线分析时荷载相同。限于篇幅，支点高跨比分析时仅给出自重作用下主梁关键截面应力计算结果，见表2；跨中高跨比分析时仅给出车道荷载作用下主梁关键截面应力计算结果，见表3。

由表2可见，在自重作用下，主梁所有关键截面上、下缘应力与支点高跨比都呈现明显的负相关，尤其在根部、1/8L及7/8L截面处应力增量更为明显，说明根部截面抗弯刚度减小的速度比自重减小的要快。取较大支点高跨比时，主梁各处压应力值变化范围较小，受力较为均匀。同时，随着主梁支点高跨比取值的递增，所用材料数量明显递增，施工阶段主梁上缘拉应力也跟着递增。将结构受力因素与经济的因素统筹起来分析，支点高跨比宜取1/16～1/25之间数值，跨径大时取1/20～1/25之间数值；跨径小时取1/16～1/20之间数值。

表2 自重作用下不同支点高跨比主梁关键截面应力 MPa

表3 车道荷载作用下主梁关键截面上、下缘最大拉、压应力 MPa

由表3可知：车辆荷载作用下主梁靠近桥墩那部分截面的上缘主要承受拉力，下缘主要承担压力，应力值则与其关联性并不明显，除此之外的各关键截面上、下缘应力与高跨比的变化均呈现出明显的负相关，在靠近跨中部位最为明显。

选择较大的跨中高跨比时，主梁上缘受力较优；选取较小的跨中高跨比时，主梁下缘受力较优。随着跨中高跨比取值的递减，在主梁自重以及车辆荷载的作用下，靠近主梁根部截面应力变化不明显。当靠近跨中截面时，应力和挠度将朝不利的方向发展，但由于高跨比减小后，主梁自重也减小，这些不利因素易被预应力的影响所平衡。据本文的分析，可以采用较小的跨中高跨比，从结构受力方面考虑，跨中高跨比可以在0.014～0.033中间选取，为减轻主梁自身重力，则大跨径宜取0.014～0.017，小跨径宜取0.017～0.022。

2.3 双薄壁桥墩的参数优化设计方案

大跨度连续刚构桥中，双薄壁墩使用得较多，然而在双薄壁墩的设计中，其设计难度较大且很关键的一个问题是如何合理地选择双薄壁墩的墩距和壁厚。传统的方法是凭借经验或类比试算来决定墩距与壁厚，具有一定的盲目性。本文将主要从双薄壁桥墩的墩壁间距来研究墩的抗推刚度，分别按两薄壁间距5 m,6 m,7 m共三个方案进行了比较计算。限于篇幅，仅给出在车道荷载作用下关键截面的位移，如表4所示。

由表4可以看出：在车道荷载作用下，主梁关键截面的竖向位移和水平位移都随着双薄壁墩间距的增加而减小；在自重作用下，除支点截面的水平位移和竖向位移随着双薄壁墩间距的增加而减小外，其他截面的水平位移均随着双薄壁墩间距的增加而增加，且变化幅度较大。在设计时，为减少承台及基础工程量，可选取较小的双薄壁墩间距，但当双薄壁墩间距过小时，将对结构受力产生不利影响，因此应从经济及结构受力两方面来考虑，据本文计算实例分析，对于主跨为100 m左右的连续刚构桥，双薄壁墩间距为5 m左右是合适的。

表4 车道荷载作用下主梁关键截面位移 mm

3 结语

在分析经验取值的基础上，以某大跨度预应力混凝土连续刚构桥为工程实例，通过建立不同的数值模型，研究连续刚构桥梁底曲线形式、主梁支点高跨比、跨中高跨比、纵向预应力形式及主墩刚度等设计参数对主梁受力的影响及其变化规律，并研究刚构桥各主要设计参数合理的取值范围，得出以下结论：

1)考虑到要充分发挥混凝土的受压性能，在设计连续刚构桥梁时应尽量避免拉应力出现。因此，从拉应力及材料数量、压应力方面综合考虑，大跨度连续刚构桥主梁下缘曲线幂次不宜太大也不宜太小，合理取值范围为1.5～2.5。

2)将结构受力因素和经济因素统筹起来分析，支点高跨比取值在0.040～0.062 5之间时更加合理，跨径大时宜取0.040～0.050，跨径小时宜取0.050～0.062 5；根据结构受力因素分析，跨中高跨比在0.014～0.033之间取值都可以，建议跨径大时取0.014～0.017，跨径小时取0.017～0.022。

3)双薄壁墩间距过大，将增加承台及基础工程量，但当双薄壁墩间距过小时，将对结构受力产生不利影响，因此应从经济及结构受力两方面来考虑。对于主跨为100 m左右的连续刚构桥，双薄壁墩间距为5 m左右是合适的。

[1] 周军生，楼庄鸿．大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势[J]．中国公路学报，2000，13(1)：31-37.

[2] Podolny,Walter.Construction and Design of Pre-stressed Concrete Segllantal Bridges[M].NewYork:Wiley，1982.

[3] 徐 岳，郝宪武，张丽芳.连续刚构桥双薄壁墩参数方法研究[J].中国公路学报,2002，15(2)：79-81.

[4] 李 杰．大跨径PC连续刚构桥设计参数优化研究[D]．西安：长安大学，2003.

[5] 杨爱武.连续刚构桥箱梁受力及影响参数分析[J].工程与建设，2007，21(3)：53-54.

[6] 李明燕.预应力混凝土连续刚构桥的参数优化[J].公路工程，2008(1)：26-27.

[7] 胡雄伟.大跨连续刚构桥主梁设计参数的优化研究[D].昆明：昆明理工大学，2008.

[8] 熊金波.大跨度预应力混凝土连续刚构桥合理参数研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

Analysis of design parameters of large-span prestressed concrete steel bridge

HE Fei-bin1BAI Rong-rong2

(1.GuizhouKedaHighwayEngineeringConsultingCo.,Ltd,Guiyang550008,China;2.ShannxiVocationalCollegeofTraffic,Xi’an710018,China)

In order to study rational design parameter value scope of continuous prestressed steel bridge, taking the large-span prestressed concrete steel bridge as the engineering example, through establishing various numerical models, the paper studies bottom curve shape of continuous steel bridge, major beam support span ratio, medium span ratio, vertical prestressed forms, major pier rigidity and other parameter value, relationship of major beam stress and its alteration law, and finally obtains some valuable conclusions.

continuous steel bridge, design parameter, finite element method, high-span ratio, double-thin-wall pier

1009-6825(2014)35-0192-03

2014-09-24

何飞宾(1973- )，女，工程师； 白蓉蓉(1987- )，女，讲师

U448.35

A