山区大跨连续刚构桥梁设计研究

覃文武

(广西壮族自治区航务工程处，广西 南宁 530021)

0 引言

山区桥梁建设时受地形因素影响，在穿越河流与峡谷时，常常采用大跨桥梁的方式。随着预应力技术的成熟，连续刚构桥梁成为大跨桥梁的主流桥型。跨径大小决定着该选择何种桥型，经过相关学者研究，得出各个桥型合理的跨径范围值，如图1所示。根据图1不难看出连续刚构桥的适用跨径范围在60～250 m区间。由于连续刚构桥是墩梁固结连续桥梁，其跨径能力以及后期使用寿命、养护等方面均优于同等连续桥梁、T形刚构桥等。

图1 各种桥型方案适用跨径范围对比图

虽然连续刚构桥跨径能力较大，但作为新型桥梁，当其跨径超过200 m时，其常见病害中的跨中下挠、底板腹板开裂等问题一直是相关学者的顾虑。本文主要就山区大跨连续刚构桥梁的设计进行研究，吸取连续刚构桥设计经验，借鉴国内外连续刚构桥成功案例，重点分析结构耐久性、标定主梁重要结构尺寸、后期桥梁病害解决等问题，并提出合理化建议以期达到后期推广应用的目的。

1 设计思路与理念分析

1.1 耐久性分析

结构的耐久性决定着桥梁使用寿命。耐久性设计必须考虑到原材料的耐久性，在设计时主要分析混凝土材料强度、混合比例与后期防护措施等三个方面。

大跨度预应力混凝土连续刚构桥需要混凝土具有强度高、收缩徐变小、缓凝早强、弹性模量大等特性。在工程实践中，应充分结合桥梁构件与部位的差异，进行混合比例设计，其遵循原则为：

(1)桩基混凝土选择自密实混凝土。设计混合比例不仅要符合强度与耐久性需求，还应该最大程度提升混凝土的流动性、粘聚性、抗离析性。

(2)承台作为大体积混凝土，其混合比例要符合减小混凝土绝热温升、增大抗裂能力与体积相对变化小等要求。

(3)由于墩身混凝土体积大，加上干湿循环干扰，钢筋出现生锈现象概率较大。为了保证其外观质量，混合比设计必须符合缩小混凝土绝热温升、增强抗裂性及工作性能好等要求。

(4)箱梁混凝土混合比例设计的重心是达到抗裂性能这一目标，要充分考虑早期强度、后期收缩、弹性模量、徐变等因素，使其均达到最优状态值。概括来说混合比设计必须达到降低水化热、增大体积稳定性、削弱徐变与提升抗裂能力的目的。

综上所述，将各个部位详细的耐久性设计措施整理在表1中。

1.2 梁高标定

在设计连续刚构桥主梁时，应重点标定主梁控制断面梁高与梁高的变化规律这两个参数。连续刚构桥主梁根部一般取值为L/15～L/17，跨中高度常取值为0.024～0.167L。结合受力特性与结构分析的难易，跨径小的取高值，跨径大的取低值。在最初大跨连续刚构桥建设时，控制断面取值均较小，如表2数据所示，例如根部梁高多取L/17，跨中梁高多标定0.022 5L，因为这两个主要的控制断面标定值低，因此要借助低次(1.6～1.8次)抛物线调高0.25L处梁高，从而提升该位置的应力值。

表1 连续刚构桥各个部位耐久性设计参数汇总表

表2 工程实践中大跨连续刚构桥上部结构构造参数对比表

设计人员在调整梁高时容易忽略梁高变化规律，仅选择1.6～1.8次抛物线进行调整。笔者认为调整梁高必须依据工程实践中的计算分析综合判定，并给出梁高变化趋势后再做调整，不能依据经验值给定。

江西省某连续刚构桥主跨225 m，为了确定其梁高，设计人员分别选取1.6次、1.8次、2.0次抛物线进行计算，分析其计算结果，最后选定2.0次抛物线，结构受力符合要求，并且能够控制0.25L处主拉应力值。各种指数改变方式影响着0.15概率的跨径区域内地曲率值，加上本区域内底板钢束数量大，受到纵向预应力径向力影响，容易形成底板开裂现象。因此选择2.0次抛物线削弱曲率，缩小预应力径向力分值，提升底板横向受力值。

1.3 控制持续下挠的策略

大跨刚构桥在投入使用中的病害主要为：混凝土收缩徐变、跨中持续下挠、主梁预应力下降、梁底开裂等。这些病害互相影响，跨中下挠导致梁底开裂，箱梁底板开裂削弱结构刚度，同样导致跨中下挠。

大跨连续刚构下挠主要受混凝土收缩徐变的影响，而收缩徐变受力复杂且难以用公式精确计算。因依据现有规范计算出的混凝土收缩徐变数值偏小，所以设计时忽略了收缩徐变的影响。针对连续刚构下挠问题的建议为：

(1)设计时：①要选择好收缩徐变计算模型，建议设计方法选择保守型；②应通过增加主梁高度以提高结构刚度，使主梁应力状态得到调整；③加设体外预应力，保证投入使用时备用。江西省某连续刚构桥设计体外预应力备用刚束，并加设体外束的转向块、减震块与锚固块，从而提升结构抗扭刚度与降低运营时的下挠概率。

(2)在投入使用时，依据桥梁应力、变形等监控数据设置张拉体外备用束。体外预应力主要提升跨中底板压应力，削弱裂缝发育，改善挠度。

1.4 高墩二阶效应分析

桥墩属于偏心受压构件，其纵向荷载作用的二阶效应影响较大。在分析正截面抗弯承载能力时，截面内力需要结合考虑构件受到弯矩作用时平面内的挠曲影响轴向力偏心距的问题。依据相关规范可简化计算方法，借助偏心距增加系数和构件计算长度结合来计算二阶弯矩影响截面承载力程度，将轴力对截面重心轴的偏心距与偏心距增加系数y相乘。该种简化方法应用于常规中小结构，因荷载较小，所以设计效率提升，且节约原材料。但该种简化方法应用于超高墩时，因长细比大，计算结果太过保守，因此要借助计算机与有限元技术，进行二阶效应的P-Δ分析。该种方法基于几何非线性的杆系有限元法，十分严密，计算出的杆件控制截面内力限值应用在截面设计时，无需借助偏心距增加系数y来提高截面初始偏心距。

江西省某连续刚构桥设计时，借助规范的简化计算公式与精准的P-Δ分析法进行高墩内力计算数据分析对比，以选取高墩计算的适宜方法。

P-Δ分析是对桥墩抗弯刚度不断折减的过程。在工程实践中，选择我国规范取值运用相对保守的方式进行折减计算。

我国相关规范中明确规定，二阶效应的弹性分析方法较适用于结构分析时，构件弹性抗弯刚度折减的情况。梁的折减系数标定为0.3，柱的折减系数标定为0.7。

2 结语

连续刚构桥在山区公路建议中有很好的应用前景，因此研究山区大跨连续桥梁设计具有很好的实用价值。本文重点分析桥梁耐久性、主梁结构尺寸标定、控制跨中持续下挠与高墩二阶效应等四个方面并进行设计研究，依据多年工程实践经验提出合理建议，以期为相似工程项目建设提供借鉴。