矮墩连续刚构设计要点探析

沈 敏 吴徐华

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014

连续刚构是将T形刚构与连续梁两者特点结合在一起的一种新型结构体系，其常用跨径在100～300m之间，当拟建桥梁桥跨超过100m时，连续刚构可以作为连续梁桥的比选方案。连续刚构体系上部结构受力特点同连续梁基本无异，区别在于主墩与主梁固结从而共同承受上部荷载产生的内力。连续刚构体系主墩底部所承受的弯矩、主梁梁体内的轴力随着墩高的增加而减小，亦即，连续刚构体系的受力特性与主墩的抗推刚度密切相关。在方案设计阶段，应尽量创造条件避免矮墩。当受路线纵断面设计高程限制，连续刚刚构体系主跨跨径大而主墩墩高小时，由于墩身抗推刚度大，温度荷载、中孔活载以及主梁混凝土的收缩、徐变等作用将在主墩墩底产生较大的内力，墩身截面往往难以通过强度验算，此外，当墩高过矮时，对于双肢薄壁主墩，边跨侧的肢墩甚至将承受向上的拉力。根据行业经验，主墩高度与连续刚构造桥的主跨跨径之比小于1/10时，主墩设计逐渐成为左右连续刚构方案是否成立的关键因素，当墩高跨径比小于1/10即认为是矮墩连续刚构，设计时需要采取各种措施改善结构的受力情况。

本文以某高速公路在建70m+120m+70m矮墩连续刚构桥位研究对象，基于Midas Civil建立结构静力计算模型，通过分析其受力特性对矮墩连续刚构体系的设计要点进行定性探析，以期为后续同类桥梁的设计提供参考。

1 工程概况

某高速跨河大桥主桥为70m+120m+70m三跨变高预应力混凝土连续刚构桥，主梁为单箱单室变高箱梁，墩顶梁高7.2m，跨中梁高3.0m，梁高按2次抛物线变化，箱梁顶板宽16.5m，底板宽9.0m。主桥主墩均采用矩形截面双肢薄壁墩，单肢壁厚1.2m，宽9.0m，主墩墩高为9.0m，主墩基础为承台下接群桩基础，基桩直径为2.2m。详勘钻孔揭示，主墩所在区域覆盖层厚度约30m，覆盖层主要为淤泥，全、强风化砂岩。

2 结构计算

为求解矮墩连续刚构桥梁的真实变形与结构内力，合理研究结构受力特性，本文在建立有限元分析模型时，考虑了桩-土-结构的相互作用。其中，桩轴土对基桩的约束作用采用节点弹性支撑单元进行模拟，弹性支撑单元的刚度参考《公路桥涵地基与基础设计规范》 （JTG D63—2007） 附录P相关内容采用“m”法计算。研究工作对应的有限元计算模型如图1所示。

图1 70m+120m+70m矮墩连续刚构有限元模型

静力计算结果表明，考虑基础柔度时，刚构主墩受力情况得到明显改善，结构整体升、降温及主梁结构收缩、徐变对连续刚构体系的主墩内力贡献很大，具体情况定性说明如下。

2.1 基础柔度对主墩内力的影响

针对基础柔度的影响建立两种静力分析模型，模型1考虑桩土相互作用，模型2不考虑桩周土的弹性作用，直接将墩底固结。计算结果表明，承载能力极限状态下，模型1主墩墩底最大弯矩22576.9kN·m，模型2为42791.6kN·m，两者相差悬殊。

2.2 均匀温度

整体升温时，中跨上拱，墩顶向边跨位移；整体降温时，中跨下挠，墩顶向中跨位移3） 收缩、徐变在运营养护阶段，主梁收缩、徐变将引起跨中下挠，主墩墩顶向中跨位移。

以小桩号主墩为例，承载能力极限状态下墩身底截面内力摘录如表1所示。

表1 承载能力极限状态下墩身底截面内力

3 设计要点探析

3.1 合龙温度的确定

为防止温度升降引起的刚构体系附加内力过大，应根据桥梁所在区域的年气温变化资料，确定桥梁的最佳合龙温度。考虑到体系降温对刚构体系的负面影响更突出，最佳合龙温度宜尽量接近当地历年最低温度。

结合桥位区域温度特征，历年平均气温为22.1℃，历年月平均最低气温 （1月）：13.9℃，历年月平均最高气温 （7月）：平均28.4℃，主桥合拢温度取18～20℃，根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》表4.3.10-2温热地区最高、最低有效温度标准值分别为34℃和-3℃，两者取大值，故有：

结构整体升温：34℃-18℃＝16℃；

结构整体降温：-3℃-20℃＝-23℃。

根据设计确定的合龙温度，该桥属于高温合龙，经比选最终采用顶推方案优化刚构体系受力状况，即：边跨合龙前在中跨最大悬臂端施加顶推力后锁死中跨合龙段劲性骨架，然后依次合龙边跨、中跨。

3.2 顶推力的计算

对最大悬臂状态T构施加顶推力的前提是要确保主墩的结构稳定性，在此前提下，其大小应尽量消除主梁收缩、徐变，系统整体降温作用产生的主墩墩顶向中跨跨中方向的位移。

主梁收缩、徐变及系统整体降温时，自小桩号到大桩号方向4个肢墩墩顶的顺桥向位移分别为：25、21、-19、-21mm。

边跨合龙前在中跨最大悬臂段端部施加水平顶推力，其大小为1800kN时，4个肢墩顺桥向水平位移分别为-11.5、-11.5、11.2、11.2mm。

施加顶推力时，小桩号主墩在承载能力极限状态下墩身顶、底截面内力如表2所示。

表2 小桩号主墩在承载能力极限状态下墩身顶、底截面内力

4 结语

本文对某高速公路 （70+120+70） m矮墩连续刚构进行静力分析，根据该桥受力特点提出了施加顶推力改善刚构体系主墩受力的技术方案。经验算，施加1800kN顶推力后，主墩墩身稳定性在各施工阶段均有较大安全储备，同时，刚构体系成桥各项验算均满足现行规范要求。基于刘明虎、黄胜前、潘可明、张扬、杨美良及陈自华等人的研究发现[1-5]，结合本文的研究成果，对矮墩连续刚构体系桥的设计，可总结如下经验：

①软弱、深厚覆盖层地区，进行结构静力计算时，考虑桩-土-结构的相互作用，连续刚构体系主墩墩身受力得到极大改善，即该类桥梁计算应合理计入基础柔度的影响；

②相对高墩连续刚构，矮墩体系主墩受力较为不利，方案设计阶段应尽可能增大边中跨比，设计时应在施工条件许可的前提下尽可能增大墩身配筋率，同时，应合理计算中跨合龙时的顶推力，从而增加边跨侧肢墩的压应力储备保证其在各受力阶段均不出现拉应力，必要时甚至可以通过边跨侧肢墩配竖向预应力、边跨悬臂端永久配重偏压、墩身设竖缝形成多片墩及分割承台等措施改善主墩受力情况。