高墩大跨连续刚构桥受力性能分析

周远智 朱金波 胡靖

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

随着西南地区高速公路的不断发展，高速公路向地形起伏更大的地区延伸。当采用连续刚构桥[1-2]跨越较宽沟谷时，若仅布置一个主跨会导致过渡墩、引桥墩墩高较大及个数较多，为降低过渡墩、引桥墩墩身高度及数量，需要布置多个主跨，形成了山区地形所特有的高墩大跨连续刚构桥[3-5]。此类桥梁具有受力复杂及稳定性难以满足的特点。下面以李子沟特大桥为例，对此类桥梁结构受力进行分析，以期积累设计经验并提供参考。

1 工程概况

1.1 总体布置

李子沟特大桥是都匀至香格里拉高速公路贵州境内的一座特大桥，全桥分左、右幅，结构各自独立,主跨均为90 m+3×170 m+90 m预应力混凝土连续刚构，主桥桥型布置图略。

1.2 技术标准

1) 设计车荷。公路-I级。

2) 设计车速。80 km/h。

3) 桥面宽度。0.5 m(防撞护栏)+11.25 m(车行道)+0.5 m(防撞护栏)=12.25 m。

4) 桥面纵坡。i=1.5%。

5) 桥梁平面线形。主桥均位于直线范围内。

6) 抗震设防标准。地震动峰值加速度为0.1g，桥区地震基本烈度为7度，设防措施等级8度。

7) 设计洪水频率。1/300，本桥不受最高洪水位控制因素影响。

8) 环境类别。I类。

9) 设计安全等级。一级。

2 桥梁设计主要内容

2.1 设计荷载及参数

1) 一期恒载。按实际截面尺寸计算，横隔梁按集中力施加在结构上。主要材料钢筋混凝土容重取值26 kN/m3。

2) 二期恒载。桥面现浇层、沥青混凝土及防撞护栏荷载合计按75 kN/m计。

3) 收缩徐变。收缩徐变参数按JTG D62-2004 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 取值。

4) 沉降。主墩基础及边跨支撑沉降按1 cm取值。

5) 可变荷载。汽车按公路-I级、3车道计算，计入横向偏载系数1.15及车道纵横向折减系数；温度荷载按设计合龙温度10～20 ℃，整体升温20 ℃，整体降温20 ℃考虑；风荷载参与汽车组合时，桥面高度处风速取值25 m/s计算。

6) 地震荷载。本桥属于A类桥梁，采用50年超越概率10%和50年超越概率2% 2种地震动水平进行抗震设防设计。

2.2 箱梁主要尺寸

箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面，箱顶宽12.25 m，底宽6.5 m；箱梁0号梁段梁高为10.5 m，现浇段和合龙段梁高均为3.8 m，其间梁底下缘曲线按1.8次方抛物线变化；箱梁顶板跨中厚度为30～120 cm，梁端支承段为120 cm，顶面设单向2%横坡；箱梁底板厚32～130 cm；箱梁腹板厚50～120 cm。箱梁墩顶截面见图1，箱梁跨中截面见图2。

图1 箱梁墩顶截面(单位：cm)

图2 箱梁跨中截面(单位：cm)

2.3 桥墩形式

两边主墩采用2片薄壁墩组成，每片薄壁墩采用箱型截面，横桥向9.0 m，顺桥向3.2 m；两中主墩纵向上部80 m范围内由2片薄壁墩组成，截面形式及尺寸与两边主墩相同，下部由2片薄壁墩连接组合成整箱，该段桥墩为单箱三室型截面，横桥向宽9.0 m、纵桥向宽12 m。

3 结构计算

李子沟特大桥连续刚构主桥的纵向平面杆系计算采用桥梁博士(V3.5.0)进行分析。结构离散图见图3，主桥箱梁共244个单元；桥墩单元共315个。

图3 结构离散图

3.1 箱梁持久状况承载能力极限状态计算

持久状况承载能力极限状态见图4、图5。

图4 最大负弯矩承载能力极限状态包络图

图5 最大正弯矩承载能力极限状态包络图

根据计算，箱梁持久状况承载能力极限状态满足规范要求。

3.2 正常使用极限状态应力验算

1) 正常使用极限状态应力抗裂验算。按全预应力构件设计其短期效应组合下的正截面上、下缘应力包络见图6。

图6 短期效应组合正截面应力包络图(单位：MPa)

由图6可知，箱梁根部上缘(1号梁段靠桥墩一侧)最小0.73 MPa，墩顶范围内上缘最小应力为1.06 MPa，跨中下缘最小应力为1.69 MPa。均满足规范正截面抗裂要求。

按全预应力构件设计其短期效应组合下斜截面应力包络见图7。

图7 短期效应组合斜截面应力包络图(单位：MPa)

由图7可知，在不考虑竖向预应力作用下，箱梁最大主拉应力1.0 MPa，满足规范要求小于1.096 MPa。

2) 箱梁持久状况正常使用极限状态验算。箱梁在正常使用极限状态下，截面上、下边缘混凝土压应力见图8。

图8 正常使用极限状态应力图(单位：MPa)

由图8可知，最大压应力17.0 MPa，满足规范要求小于17.75 MPa。

3) 钢束应力。受拉区钢束最大拉应力均小于1 209 MPa，满足规范要求。

4) 正常使用极限状态下箱梁跨中挠度验算。箱梁按短期荷载效应组合计算主跨跨中最大长期挠度值，消除结构自重产生的长期挠度值为36.7 mm，小于规范L/600=283.3 mm规定，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对挠度的要求。

3.3 桥墩结构计算

3.3.1持久状况承载能力极限状态计算

主桥桥墩基本对称，选取结构受力最不利的2种类型桥墩计算，分别为14号主墩及12号主墩。其极限承载能力包络图见图9。

图9 极限承载能力弯矩包络图

由极限承载能力弯矩包络图可知，2种最不利桥墩类型各截面均满足承载能力要求。

3.3.2正常使用极限状态抗裂验算

计算高度分别取主墩墩身高度：11号主墩墩高82 m、12号主墩墩高138 m、13号主墩墩高133 m、14号主墩墩高97 m。4个主墩墩身在正常使用极限状态下的最大裂缝分布见图10。由图10可知，11号及14号边墩受力最不利，最大裂缝为0.10 mm，均满足规范6.4.2条钢筋混凝土构件0.20 mm的限值要求。

图10 桥墩裂缝分布图 (单位：mm)

3.3.3稳定性验算

桥墩稳定性采用midas 2015进行验算。

1) 施工阶段稳定性验算。分别验算了2种不同桥墩形式，验算荷载考虑施工荷载及风荷载。

14号主墩施工阶段最大悬臂状态下桥墩稳定计算结果见图11。

图11 14号主墩施工阶段最大悬臂状态下桥墩稳定计算

经计算可知，一阶失稳为纵向失稳，稳定系数为8.51；二阶失稳为横向失稳，稳定系数为18.2。12号主墩施工阶段最大悬臂状态下桥墩稳定计算结果见图12。

图12 12号主墩施工阶段最大悬臂状态下桥墩稳定计算

由计算可知，一阶失稳为纵向失稳，稳定系数为10.1；二阶失稳为横向失稳，稳定系数为13.0。

2) 运营阶段稳定性验算。

全桥运营阶段稳定性验算结果见图13。

图13 全桥运营阶段稳定性验算

由计算可知，全桥运营阶段一阶失稳为纵向失稳，稳定系数为11.5；二阶失稳为横向失稳，稳定系数为14.6。以上分析表明，12号及14号桥墩结构及全桥结构均满足规范，一类稳定安全系数不小于4的要求，具有足够稳定安全性。

4 结语

高墩大跨连续刚构桥在山区尤为常见，本文分析了在建李子沟特大桥的力学性能，计算表明，结构在各阶段受力及稳定性均满足规范要求，建成后可为同类桥梁的施工设计积累宝贵经验，具有参考意义。