高墩大跨变截面连续刚构桥梁受力影响因素分析研究

■马勤

（苏交科集团股份有限公司，南京210017）

高墩大跨变截面连续刚构桥梁受力影响因素分析研究

■马勤

（苏交科集团股份有限公司，南京210017）

影响高墩大跨径变截面连续刚构桥梁受力的因素很多，本文仅从风荷载、主墩高度和主墩截面类型等方面研究分析它们对高墩大跨变截面连续刚构梁的受力影响，为今后的高墩大跨变截面连续刚构桥梁设计提供一定的参考价值。

高墩大跨变截面连续刚构桥梁风荷载主墩高度主墩截面类型

1 高墩大跨变截面连续刚构桥梁的特点

在山区高速公路中为了跨越沟壑，常常需要大跨径的桥梁来实现，由于地形的限制，桥梁墩高高低不一，从几米到几十米甚至上百米均有。为了满足大跨径高墩的要求，在山区高速公路中常常采用高墩大跨径变截面连续刚构桥梁。高墩大跨变截面连续刚构桥梁具有抗弯、抗扭刚度大，整体性和连续性好，造价低和施工方法成熟等优点。

近些年来，随着山区高速公路的发展，变截面连续刚构桥梁被广泛应用到高墩大跨径的桥梁中。高墩大跨变截面连续刚构桥与其他桥梁相比其结构具有墩、梁、基础三者固结联为一体共同受力的特点。它具有如下优点：

（1）施工时无体系转换。因无体系转换，故在施工阶段，可避免设置临时支座，施工稳定性好，可采用不平衡长度悬臂浇筑，减少或避免边跨梁端灌注支架。

（2）主墩无支座。连续刚构省去了主墩大吨位支座，避免了后期更换支座，有利于养护维修。

（3）上部结构仅有两条伸缩缝，行车舒服性好。

（4）由于顺桥向抗弯刚度大，横桥向抗扭刚度大，能满足特大桥梁跨径的受力要求。

（5）顺桥向抗推刚度小，因此能有效的减小温度、混凝土收缩徐变和地震等作用力的影响。

2 高墩大跨变截面连续刚构桥梁受力影响因素分析研究

影响高墩大跨变截面连续刚构梁受力的因素有很多，诸如桥梁布置的边跨比、梁高、腹板厚度、主墩高度和主墩截面形式等。本文主要从主墩高度、主墩截面及风荷载等三个方面分别研究分析它们对变截面连续梁内力的影响。

2.1 计算模型

本文上部采用跨径为（85+160+85）m变截面连续刚构桥梁作为研究对象，计算程序采用桥梁博士V3.2.0，计算模型如图1所示。图1（a）中，支点A、B采用铰接，支点C、D采用固定支座，E、F采用刚接。主梁桥面宽12.25m，边支点及跨中梁高3.6m，墩顶梁高10m，如图1（b）、（c）所示。

图1 计算模型

2.2 主墩截面形式影响

连续刚构桥的桥墩常做成横截面为空心或实心的“一”字形，“I”形、箱形钢筋混凝土薄壁墩，最常用的是双薄壁墩和单薄壁墩。本文采用在高墩大跨连续刚构桥中常用的两种截面形式进行对比研究分析，不同主墩截面形式对主梁内力的影响。如图2所示，模型1主墩截面采用B×H×t=6.75m×5m×0.6m的箱墩，模型2主墩截面采用B×H×t=8.25m×2.5m×6m的双矩形墩，在上部梁结构线性、受力荷载相同的情况下，对比主墩高度均为50m时，两种主墩截面类型对主梁受力的影响，计算模型如图1所示。

图2 主墩截面

经计算，主梁受力情况对比如表1～3所示。

表1 主梁主应力

表2 主梁正应力

表3 主梁强度

由表1～3可得到如下结论：（1）双肢矩形截面墩的主应力、正应力状态优于箱墩截面，且墩顶最大应力出现削峰现象；（2）双矩形墩的边跨正弯矩及墩顶负弯矩均小于箱墩，但主跨跨中最大正弯矩大于箱墩。可以看出双肢矩形截面墩对减少墩顶负弯矩作用明显，主要是因为双肢体截面对墩顶截面有削峰作用。故当墩高不是很高时采用此种截面比较有利于主梁受力。

2.3 主墩高度影响

变截面连续梁有两种，一种是变截面连续铰接，即在主墩与主梁之间采用大吨位的支座连接；另一种是变截面连续刚构梁，即在主墩与主梁间取消支座改为固结。这两种梁各有优势和缺点，两种变截面梁的选取原则之一就是墩高的影响。为了研究主墩高度对变截面连续刚构梁的内力影响，合理选择变截面连续梁的形式，本文在上部梁结构线性、受力荷载、主墩截面相同的情况下，对比不同主墩高度对主梁受力的影响。计算模型如图1所示。在不计入风载和制动力的作用下，主墩截面采用薄壁箱墩，墩截面B×H×t=8.25m×6.5m×0.9m，如图2所示。主墩高度分别取30m、50m、70m、90m和100m，经过计算，主梁受力情况对比如表4～6所示。

表4 主梁主应力

表5 主梁正应力

表6 主梁强度

由表4～6可得到如下结论：（1）当墩身截面相同时，随着墩高的增加，墩身抗推刚度逐渐变小，最大主拉应力及主压应力、主梁正应力也变小，说明墩身抗推刚度越小应力状态越好；（2）墩身截面一样时，随着墩高的增加边跨正弯矩及支点负弯矩变小，而跨中正弯矩变大。一般来说连续刚构的控制弯矩多发生在墩顶负弯矩处，故从减少墩顶负弯矩出发，一般应选择较小墩身刚度。同时也说明矮墩一般不宜固结，故在墩高不高的情况下，我们可以采用主墩与主梁之间用支座连接的形式。而在墩高超过50m以上时，应采取变截面连续刚构梁形式。

2.4 主墩截面影响

在上部梁结构线性相同的情况下，采用箱墩截面，且桥墩截面尺寸随着墩高变化而变化，在不计风荷载和制动力情况下，不同墩高下主梁内力变化经计算如表7～9所示。

表7 主梁主应力

表8 主梁正应力

表9 主梁强度

由表7～9可得到如下结论：（1）墩身截面按实际截面选取不计入水平荷载时，主应力随墩高的变化不大，其中最不利主应力状态的墩高是30m，其次是100m。说明矮墩不宜刚接，墩高过高时刚接的作用也受到限制。（2）墩身截面按实际截面选取不计入水平荷载时，截面上下缘最小正应力随墩高变大而变大，50～90m墩高时，截面上缘最大正应力随墩高变大而变小，受力状态得到改善。30m墩高应力状态最差，说明矮墩不宜刚接，刚接时应适当优化配束。（3）当墩身按照实际截面选取时，在不计水平力风荷载和制动力时，50～90m间边跨最大正弯矩随墩高的增加而减少，墩顶负弯矩增大，跨中正弯矩减少。墩身截面会影响到主梁弯矩的变化，对30～70m墩，墩截面面积减少，墩的抗推惯性矩变小，故边跨正弯矩及墩顶负弯矩值变小，而跨中正弯矩变大，印证上面的结论。另30m墩高的内力较大，近一步说明矮墩不宜刚构。

2.5 风荷载及制动力影响

高墩大跨径桥梁往往受到风荷载，且风荷载的作用影响比较大，因此在设计高墩大跨径变截面连续刚构桥梁时，还应考虑风荷载的作用。在上部梁结构线性相同的情况下，对比采用不同的主墩截面及不同主墩高度，在计入风荷载作用下对主梁受力的影响。主墩高度分别为30m、50m、70m、90m和100m，主墩截面均采用箱墩，截面如图2所示。经计算，主梁受力情况对比如表10～12所示。

表10 主梁主应力

表11 主梁正应力

表12 主梁强度

由表10～12可得到如下结论：（1）墩身截面按实际截面选取且计入水平荷载时，主应力随墩高的变化不大，其中最不利主应力状态的墩高是30m，其次是100m。说明矮墩不宜刚接，墩高过高时刚接的作用也收到限制。当计入主梁制动力、风荷载及墩风荷载时上部主梁应力将比未计入时不利；（2）墩身截面按实际截面选取且计入水平荷载时，截面上下缘最小正应力随墩高变大而变大，受力状态得到改善。其中30m墩高应力状态最差，说明矮墩不宜刚接，刚接时应适当优化配束。当计入主梁制动力、风荷载及墩风荷载时上部主梁应力将比未计入时不利。（3）当墩身按照实际截面选取时，并计入水平力风荷载和制动力时，50～100m间边跨最大正弯矩随墩高的增大而增大，墩顶负弯矩增大，跨中正弯矩减小。计入水平力后主梁的边跨正弯矩及墩顶负弯矩变大，但跨中正弯矩变小。30m墩高下主梁内力的突变也表明矮墩不宜固结。

3 结论

由此可见，主墩截面形式、主墩高度和风荷载等都会影响到高墩大跨变截面连续梁的受力状态。从以上模型计算，得到如下结论：

（1）主墩截面形式及截面刚度影响变截面连续箱梁的内力，主墩纵桥向刚度在满足桥梁施工、运行稳定的前提小要尽量小，在横桥向的刚度应大一些。由于高墩大跨变截面连续刚构桥的墩、梁、基础三者固结联为一体共同受力，结构内力是按照桥墩与连续梁的刚度比来分配的。纵桥向，桥墩的刚度大则分得的内力大，不能有效的发挥梁自身的抗弯能力，而连续梁在墩顶处的受力很大，达不到降低墩顶负弯矩的目的，故主墩截面刚度在纵桥向要小。高墩大跨连续刚构桥在横向的约束很弱，桥梁在横向不平衡荷载或者风荷载作用下，容易产生扭曲、变位，故故主墩截面刚度在横桥向应大一些。

（2）并不是所有墩高都适合用变截面连续刚构桥梁，矮墩采用变截面连续刚构桥梁主梁受力反而不利。建议墩高大于50m以上用变截面连续刚构箱梁，墩高小于30时采用变截面连续箱梁更合适。墩高也不能无限大，总体布跨时可以将墩高控制在100m以内有利于变截面连续刚构箱梁的受力。

（3）风荷载在高墩大跨径桥梁中的作用不容忽略，在计算设计变截面连续刚构桥梁时，应考虑作用在主墩及主梁上的风荷载

影响变截面刚构连续梁内力的因素很多，在设计时，我们应综合考虑各影响因素，选择合适的主梁和主墩截面形式，布跨方案，使桥梁方案更加合理化，主梁与主墩受力更加协调化，充分发挥它们各自的作用。

[1]廖朝华，等.公路桥涵设计手册——墩台与基础（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京：人民交通出版社，2001.9.