某变截面箱梁连续刚构桥静力与稳定性分析

宋卫丽

（长治市郊区交通运输局，山西 长治 046000）

0 引言

大跨连续刚构桥因其具有良好的受力特性及成熟的施工技术，在桥梁建设中得到了越来越多的应用，尤其在西部山区地形应用较广，因此对连续刚构桥的结构设计进行必要的分析尤为重要。

许多桥梁专家学者对连续刚构这一桥型进行了大量的分析研究。项贻强等人进行了大跨径单室预应力连续刚构箱梁桥的静力特性空间分析，得出了所设计桥梁应力不均匀系数对以后该类桥梁具有重要的理论意义和工程实践指导[1]；潘钻峰等人进行了大跨径连续刚构桥主跨底板合龙预应力束的空间效应分析，得出了避免箱梁底板纵向开裂的建议，供以后设计大跨连续刚构桥提供参考设计[2]；孟新奇等人进行了大跨径刚构桥梁跨中下挠问题研究，得出了通过合理的设计与施工，可以使大跨径刚构桥梁跨中下挠问题得到抑制[3]；罗旗帜进行了变截面多跨箱梁桥剪滞效应分析，为变截面刚构桥的剪滞计算提供了资料[4]；刘心亮等人进行了变截面混凝土箱梁底板纵向开裂分析与加固，归纳了预应力束防崩力的计算方法供桥梁建设参考[5]；司徒毅等人进行了连续刚构桥主梁基于势能变分原理的剪力滞效应，得出了顶板应力横向变化较底板大[6]；刘杨等人进行了钢管混凝土高墩连续刚构桥体系可靠指标计算方法，得出了一种方法迭代次数少，效率较高，可实现同类桥梁功能函数重构和体系可靠度计算[7]；黄文机等人进行了福建的刚构桥分析，通过这些典型刚构桥的计算与剖析，对这类体系桥梁的受力及其适用范围作了评述，并提出若干建议[8]；刘榕等人进行了山店江大桥高墩连续刚构桥设计与关键技术分析，通过实例分析为连续刚构桥设计提供参考[9]；陈浩等人进行了大跨度连续刚构桥长期下挠成因分析与建议，通过对大跨度连续刚构桥长期下挠的主要原因进行分析，得出一些有意义的建议和措施，以供参考[10]；巩春领等人进行了大跨径刚构连续组合梁桥整体受力分析与探讨，通过探讨大跨径预应力混凝土刚构-连续梁桥的力学特点和使用性能，对于完善大跨径刚构-连续组合梁桥的设计理论、指导工程施工、确保结构安全、设计合理等方面都具有重要的参考价值[11]；杨爱武进行了连续刚构桥箱梁受力及影响参数分析，分析了预应力混凝土连续刚构桥上部结构箱型截面主梁的受力行为，并对影响箱梁受力的一些主要结构设计参数进行了分析[12]。本文以一座三跨连续刚构桥为例，建立有限元模型，进行结构静力与稳定性分析。

1 工程项目概况及有限元模型

该桥为三跨预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置为69 m+124 m+69 m，全长262 m。标准横断面布置为1.0 m（人行道）+8 m（行车道）+1.0 m（人行道）=10.0 m，桥墩采用双薄壁墩，桩基为钻孔桩基础。

计算分析采用有限元软件，在模拟分析时主梁与桥墩均采用空间梁单元，墩梁采用刚性连接，墩底采用固结。有限元模型中共划分601个单元，其中上部梁体161个单元，下部结构440个单元。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2 静力荷载分析

2.1 设计荷载

进行结构设计荷载分析的主要依据为参考文献[13]。

进行结构设计荷载分析的参数：

a）设计荷载 公路-I级，人群3.5 kN/m2；

b）体系温度 根据当地月平均最高气温和最低气温情况，综合考虑后计算取体系升温20℃，体系降温20℃；

c）主梁不均匀温差 升温温差T1=14℃，T2=5.5℃，降温温差T1=-7℃，T2=-2.75℃；

d）收缩徐变 按JTG D60—2004规范取值，计算到3 650 d，湿度按80%计；

e）不均匀沉降 桥墩考虑10 mm沉降。

2.2 静力分析

本桥按照全预应力构件设计，进行了短期效应组合的抗裂性验算，持久状况下构件应力验算，主梁承载能力验算。

2.2.1 短期效应组合验算

主梁在短期效应组合下，经计算得知：

a）主梁上缘均为压应力，其中墩顶处压应力为-1.87 MPa，中跨跨中压应力为-1.26 MPa，边跨跨中压应力为-1.47 MPa。

b）主梁下缘均为压应力，其中墩顶压应力为-6.15 MPa，中跨跨中压应力为-1.08 MPa，边跨跨中压应力为-2.82 MPa。

c）主梁上下缘最大压应力均发生在桥墩截面处，均满足规范限值，主梁不考虑竖向预应力作用的主拉最大应力发生在桥墩截面处，大小为0.931 MPa，满足规范要求的1.425 MPa。图2给出了短期效应组合下主拉应力包络示意图。

图2 短期效应组合主拉应力包络示意图（不含竖向预应力，包含剪扭）

2.2.2 持久状况效应验算

《公桥规》第7.1.5条明文规定：要验算使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的压应力和预应力钢筋的拉应力。

主梁在持久状况标准值组合下，经计算得知：

a）上缘均为压应力，其中墩顶压应力为-15.78 MPa，中跨跨中压应力-15.42 MPa，边跨跨中压应力为-14.54 MPa，均满足规范要求。

b）下缘都是压应力，其中墩顶压应力为-7.74 MPa，中跨跨中压应力为-10.14 MPa，边跨跨中压应力为-7.34 MPa；均满足规范要求。限于篇幅，此处图3仅给出主压应力包络示意图。

图3 标准值组合主压应力包络示意图

经计算得知，预应力钢筋在施工及运营阶段都满足规范要求，表1给出了部分预应力钢筋的拉应力验算结果。

表1 几组预应力钢筋的拉应力验算结果 MPa

2.2.3 主梁承载能力验算

主梁承载能力验算结果如图4和图5，由计算结果可知，主梁正截面抗弯承载能力满足规范要求。

图4 最大弯矩及对应的抗力图

图5 最小弯矩及对应的抗力图

3 稳定性分析

首先对全桥进行了模态分析，经模态分析知全桥的一阶自振频率为0.25 Hz，一阶振型为桥墩顺桥向弯曲。表2给出了该桥前四阶模态的频率与振型描述。

表2 全桥前四阶模态

进行了成桥阶段和施工最大悬臂状态的稳定性，由计算可知，成桥状态全桥最小稳定安全系数为10.46，施工最大悬臂状态的最小稳定安全系数为9.09，为左墩先失稳（右墩的高度小于左墩）。由此可知，不管是成桥阶段还是施工最大悬臂状态的稳定性都满足规范要求。

图6 成桥阶段全桥稳定性安全系数最小模态

图7 施工悬臂状态的左墩失稳模态

4 结语

通过有限元软件建立连续刚构箱梁桥的三维有限元模型，对该连续刚构桥的静力荷载与稳定性进行了分析。

a）对于静力荷载分析方面 采用全预应力构件设计，进行了短期效应组合的抗裂性验算、持久状况下构件应力验算、主梁承载能力验算，各验算项目均符合规范要求。

b）对于稳定性分析 分析了成桥阶段和施工最大悬臂状态的稳定性。通过计算结果发现，该桥设计在静力作用下的应力状态与承载力完全满足规范要求，成桥阶段与施工状态的稳定性也满足规范要求。该桥的设计和验算分析结果可以为相关类似工程项目提供一定的借鉴。