高墩大跨曲线连续刚构桥结构形式与参数研究

2018-08-14李建功

交通科技 2018年4期

张龙李豪李建功

(1.中交路桥北方工程有限公司北京 100024； 2.武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉 430070)

曲线连续刚构桥有着良好的地形适应能力、较好的跨越能力和成熟的施工工艺，因而广泛用于西部地区公路铁路建设之中。

目前，对大跨径连续刚构桥的研究主要集中在施工过程控制、施工全过程及成桥阶段稳定性分析、抗震性能与构造措施研究等方面，如文献[1-3]。这些研究一方面保证了桥梁在施工和运营期间的结构安全，另一方面促进了该类桥型的发展。然而，大跨径连续刚构桥在运营期间面临的主要问题是跨中挠度过大和混凝土开裂问题，如文献[4-5]对大跨径连续刚构的跨中下挠问题的影响参数进行了分析，文献[6]对预应力混凝土刚构桥的底板开裂原因进行了探讨；实际上结构力学行为是由结构形式和特点决定，开展相关的结构形式参数分析对改善结构力学行为有着重要的意义。许多学者和工程师对大跨径连续刚构桥结构形式进行了研究；文献[7-8]利用有限单元法，发现了大跨径连续刚构的空心双薄壁主墩的参数设置与纵桥向抗弯刚度和稳定性的关系。文献[9]利用倒推分析法将结构简化为单自由度体系对桥梁规则性进行分析。研究表明梁、墩横向刚度比对连续梁桥横桥向规则性起控制作用，墩梁刚度比越小，梁桥规则性越好。而桥墩刚度分布情况只有在梁、墩横向刚度比较小时，对规则性影响较大。文献[10]利用有限元模型法并结合工程实例进行研究，结果表明双薄壁墩在结构性能方面要优于单柱式墩。文献[11]通过有限元建模分析法研究表明不同的合龙方案和体系转换步骤对主桥正截面应力和悬臂施工预拱度等结构性能的影响很大；然而，这些研究大多是针对大跨径或者是高墩的刚构桥进行研究，并且考虑的结构形式参数较为单一，未能系统的反映高墩大跨径曲线连续刚构的情况。

薄膜燃料电池在高于80 ℃的温度和高湿度下工作时,由于复合双极板的性能可能会受到操作环境的影响,因此还必须了解环境对电池性能的影响。虽然已经研究了湿度和温度对质子交换膜的力学性能的影响,但是对于应用环境对复合材料双极板性能的影响还没有充分的进行研究。因此,双极板样品的构造和测试,以研究湿度和温度环境对石墨颗粒/环氧复合材料作为双极板材料的机械性能的影响。此外,本文还研究了碳纤维织物对机械性能的影响。

本文以主跨为100 m的贵州省坞家塆大桥为背景，基于midas Civil建立其杆系模型，分别研究墩梁刚度比、曲线箱梁超高方式、体系转换方式和桥墩形式对桥梁结构行为的影响。

1 工程背景

贵州省坞家塆大桥属于大跨径高墩预应力混凝土连续刚构弯桥，全长317 m。主桥上部结构为58 m+100 m+58 m连续刚构，位于缓和曲线和圆曲线段上，圆曲线半径750 m，引桥上部结构为3×30 m预应力简支T梁。下部结构为双薄壁墩、柱式墩、薄壁墩、桩基、U形扩大基础桥台，其中1和2号墩为主桥墩，1号墩高58.65 m，2号墩高40.00 m，均采用双薄壁墩形式，主、引桥间过渡段采用薄壁墩。桥型布置见图1。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 墩梁刚度比研究

2.1 刚度比研究的意义

连续刚构桥在受力上最显著特点是桥墩和连续梁共同承受荷载作用产生的内力，梁、墩和基础3部分固结为一体，内力按照桥墩与连续梁的刚度比进行分配。合适的墩梁刚度比能满足全桥的纵、横向刚度要求，改善梁体内力分布状态。

武陵断弯褶皱带由铜仁—保靖断裂带与古丈复背斜之次级褶皱构成。总体呈NE 向展布，出露地层主要为青白口系板溪群和南华系—志留系，古丈万岩板溪群中发现基性火山岩。总体变形强度较低，一般岩层倾角3°～10°，局部达30°～40°，直立水平平缓褶皱为主，受后期断裂切割褶皱普遍不完整。铜仁—保靖断裂带主要次级断裂有：花垣—张家界断裂带、麻栗场断层、吉首—古丈断裂。

2.2 墩梁刚度比设置与计算模型介绍

横桥向的结构动力特性研究远比纵桥向重要。本文对横桥向墩梁刚度比对连续梁桥横桥向动力特性的影响进行研究。坞家塆大桥为3跨连续刚构桥，用弹簧的弹性约束来替代2个主桥墩处的横向抗推刚度，用固定支座来替代桥台的约束，然后对全桥进行质量集中，建立简化的动力特性分析模型，如图2。

图2 横桥向简化动力分析模型图

2.3 理论推导分析

本文主要从以下工况来分析最大悬臂时结构的稳定性。

(1)

依据张之南主编《血液病诊断及疗效判断标准》（第3版）急性白血病诊断及疗效标准[9]。所有患者在入组研究前皆已行血常规、骨髓细胞形态学、免疫分型、融合基因以及染色体核型分析等检查明确诊断。

桥墩在横向荷载作用时还会产生弯曲和剪切变形，抗推刚度按下式进行计算：

(2)

2.4 计算结果分析

坞家塆大桥主梁横截面为箱型变截面，本文采用1/4跨中截面的尺寸：6.5 m×6.1 m空心矩形截面，腹板顶板底板厚度和高均取0.8 m。弹性模量Eb=35.5 GPa，质量密度ρ=2 500 kg/m3。假定2个桥墩的横向抗推刚度相同，在0.02～10的范围内改变。由上述步骤可得出不同墩梁刚度比时对应的结构基频的振型质量参与系数，结果见图3。

当市场交易主体预期人民币汇率升值时，出口企业为规避汇率风险，具有定价权的企业可以通过提高出口产品价格来增加出口收入，不具备出口产品议价能力的企业则可能通过调低出口产品价格提高产品竞争力，出口收入随之减少，同时国外进口企业可能预计未来中国进口产品价格上涨而加快进口，从而加快货物贸易跨境资金流出。

图3 墩梁刚度比与基频振型质量参与系数关系图

1) 对于主梁纵向弯矩My，可发现“先边后中”的合龙方式下，边跨和中跨的最大弯矩My均大于“先中后边”对应的弯矩。

图4 墩梁振型示意图

3 箱梁超高方式研究

3.1 箱梁超高方式

弯桥与直桥相比其受力特点不同之处在于当垂直荷载和活荷载的离心力作用在桥的梁体结构上时，弯桥会产生能够相互影响作用的弯矩和扭矩。因此对于弯桥，为抵抗由曲率半径所产生的离心作用，需对箱梁设置一定的超高。目前弯桥上部结构超高方式主要有2种：①箱梁底板与顶板不平行，顶板倾斜，底板水平的超高方式；②底板与顶板平行，顶板和底板均倾斜的超高方式。

近些年来，我国经济快速发展带来的环境恶化问题突出。土壤和地下水环境的恶化对我国人民身体健康有着直接影响，我国对土壤以及地下水的污染治理也越来越重视。治理污染土壤以及被污染的地下水，首先要勘查污染区域，界定污染范围，探明污染物所在地层的地质条件，了解污染物在土壤中存在状态。根据调查结果制定治理方案，利用物理化学和生物的方法进行污染土壤的修复。在土壤修复过程中以及修复工程结束后对土壤中的污染物进行跟踪监测，了解污染治理工程的进度，检验治理的效果。因此，整个土壤污染治理的工艺流程都需要对污染土壤进行取样调查。

3.2 计算结果分析

2种超高方式各有利弊，本桥结构特性值的差异见表1。坞家塆大桥平面线形主桥位于圆曲线上，半径750 m；左幅横坡为-4%，右幅横坡为4%(横坡规定：路中线高，两侧低为正，反之为负)。该表选取的是靠近1号墩的L/4处。

表1 2种超高方式对比表(单幅桥)

由表1可见：①方式二比方式一更节省建筑材料(混凝土)，单幅桥可节省混凝土134 m3，即自重减少了3 416.8 kN；②方式一比方式二惯性矩大。

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分析以上数据可知，从施工角度而言，方式一比方式二相对方便一些，水平式底板模板容易搭设，混凝土振捣更加充分，质量控制也相对容易。

（2）土石笼袋施工效果美观，整体性好，能够适应不同工程的需要，具有结构稳定性，极强的抗冲刷能力。其透水不透土特性可在水分正常交流的前提下，有效地防止土壤流失。另外，土石笼袋对植物非常友善，植物根系可通过袋体自由生长，满足景观需求。

3.3 2种超高方式荷载作用结果对比

工况3。自重+施工荷载+顺桥向风荷载。

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表2 恒载作用对比结果

由表2可见，2种超高方式的箱梁在恒载作用下内力仅有微小的差别，底板平置模型内力一般情况下比底板斜置模型内力小一些。所以综合以上数据，从内力角度来看，底板平置的箱梁形式，恒载受力稍微好一些，在实际工程中可优先考虑。

表3 活载作用对比结果 kN·m

工况5。自重+施工荷载+横桥向风荷载+顺桥向风荷载+单侧挂篮跌落。

4 体系转换方式研究

4.1 体系转换在施工过程中的重要性

不同的合龙方案顺序将导致结构产生完全不同的受力状态，从而在施工过程中产生结构内力，它们会影响结构的强度、刚度和稳定性[12-13]。

4.2 2种体系转换介绍

连续刚构桥主要有2种结构体系转换方式：①先中跨后边跨合龙，简称“先中后边”；②先边跨后中跨合龙，简称“先边后中”。2种体系转换方式具体来看：“先边后中”法可减小结构中的温度应力并容易控制合龙过程中的结构变形。“先中后边”会首先形成∏形结构，应注意的是在合龙段施工中选择合理的灌注时间。“先边后中”法则是在边跨合龙后，成为一次超静定结构，其温度和混凝土收缩产生的应力及变形较“先中后边”法要小很多，同时施工中的变形控制也相对简单。所以在实际工程中，大多采用“先边后中”的合龙顺序。

4.3 不同体系转换结果分析

对于“先边后中”和“先中后边”的2种不同的体系转换方式，对坞家塆大桥利用midas Civil软件进行分析。本例分别从主梁纵向弯矩My、全桥竖向剪力Fz及主梁截面上下缘应力σ3个内力对2种合龙方式进行对比。在分析和总结数据结果后得到以下3点结论。

在接受调查的5所本科民办高校中，大部分办学时间都不长，双创教育尚处于起步阶段，现状情况如下：第一，双创教育理论体系和实践培训体系不够完善，主要体现在各高校的人才培养方案、配套服务和保障体系方面；第二，针对双创课程设置，没有相对完善的教学计划、模式、师资队伍、相关资源配置等与之匹配。

由图3可见，当墩梁刚度比从小到大变化时，基频振型质量参与系数在[0.07,0.85]范围内浮动。当墩梁刚度比在[0.1，1.7]区间时，基频振型质量参与系数在0.85左右，而当墩梁刚度比增加到2.2时，参与系数发生突变，由0.85变成0.7左右，之后基频振型质量参与系数维持不变。这说明结构的基频振型模式随不同墩梁刚度比发生改变。图4是由计算机仿真绘制的连续刚构的基频振型图。

2) 对于竖向剪力Fz，主要观察全桥在桥墩支座处附近的纵向剪力Fz的大小，可发现2种合龙方式对应的剪力总是靠近后合龙跨一侧的剪力较大。

可以让学生阅读《圣经》中的相关章节，然后思考《药》里的情节为什么同《圣经》中的表述有如此惊人的相似？结合耶稣的受难与复活，让学生重新认识《药》的思想主题。

3) 对于主梁截面上下翼缘的应力σ，不同合龙方式对成桥阶段主梁截面正应力分布有较大影响，应力差值从边跨开始到中跨部分逐渐变大。

5 桥墩结构形式研究

5.1 高墩形式

连续刚构桥桥墩从墩身的截面形式来划分，可分为实体桥墩、空心桥墩；从整体性来看分，可分为单肢墩和双肢墩。空心墩的横截面形式有圆形和矩形，及单肢和双肢2种特性组合。

5.2 不同桥墩形式稳定性分析

对于本桥，进行不同的桥墩形式下的仿真分析得到相关稳定性数据。桥墩形式选用双薄壁墩和单薄壁空心墩。从最大悬臂和成桥运行2个阶段对不同桥墩形式条件下的稳定性进行研究。

在最大悬臂状态下，由于1号墩最高，为58.645 m，故将1号墩和两端悬臂进行建模分析，单元和节点大体按施工节段进行分配，以墩底固结、悬臂端自由的边界条件将结构离散，其中墩顶与梁块之间采用刚性连接的方式，结构自重在单元内计入，其他荷载以单元荷载或节点荷载的形式施加于结构上。

首先列出模型的单自由度动力方程：

工况1。自重+施工荷载。

1.2.1 甘薯黑斑病菌最佳产孢方法筛选。采用PDA平板接种活化后的黑斑病菌菌碟，将接种好的平板置于25 ℃恒温培养箱中培养5～ 6 d，采用30 mL无菌水洗涤平板表面孢子，纱布过滤去除菌丝后，测量孢子悬浮液中目镜10倍及物镜20倍显微镜下一个视野内孢子数，设置3个重复，每个重复制片3张。该方法设为对照组①。

工况2。自重+施工荷载+横桥向风荷载。

对2种超高方式的箱梁分别作用恒载和活载，然后对比分析。恒载作用结果见表2。活载对比结果见表3。

工况4。自重+施工荷载+单侧挂篮跌落。

由表3可见，2种超高方式在活载作用下的内力结果也有些许不同。2个断面的活载作用结果产生的内力相比，边跨跨中的My值差异相对大一点，而中跨根部的其余内力的差异则较小。说明在活载作用下，底板平置的超高方式边跨承受My内力较大，也就是说底板斜置超高方式受力更好。

对应的计算结果见表5。

表5 最大悬臂状态桥梁稳定特征值

由表5可见，在各个工况条件下，双薄壁墩的稳定特征值要大于单薄壁空心墩。这说明在最大悬臂状态下，双肢墩的连续刚构的稳定性要好于单肢墩的连续刚构。

成桥状态时，研究对象为主桥，以墩底固结、两端约束4个方向自由度(Dy,Dz,Rx,Rz)的方式建立模型，并将全桥结构离散，墩顶和0号块刚性连接，自重计入单元内，其他的荷载以节点荷载或者梁单元荷载的形式施加于结构上。

考虑桥梁在运营阶段主要荷载有自重、二期恒载、风荷载、汽车荷载、温度荷载等。工况组合划分如下。

工况1。自重+二期恒载+横桥向风荷载+顺桥向风荷载。

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工况2。自重+二期恒载+汽车荷载。

工况3。自重+二期恒载+体系升温。

工况4。自重+二期恒载+体系降温。

工况5。自重+二期恒载+汽车荷载+横向风载+顺向风载+升温。

对应的计算结果见表6。