高墩大跨连续刚构PC 梁桥风荷载静力作用分析

周 武

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

0 前言

随着公路交通事业的发展， 公路网络覆盖面越来越广。高等级公路在山区越来越多的出现。山区高山峡谷较多， 为克服地表高差及高等级公路对线型和行车舒适性要求，高墩大跨度连续刚构桥因其跨越能力大，整体性能强、受力合理、施工方便、造价较斜拉桥、悬索桥少、养护方便等优点，越来越广泛地被采用[1]。近年来，国内已建成多座高墩大跨连续刚构桥，其桥墩高度可达150m 以上，跨径可达200 多m。部分高墩桥梁统计结果如表1 所示，墩高在110m 以下的桥墩一般采用双肢薄壁空心墩，墩高在110m 以上的桥墩一般采用单肢/双肢变截面薄壁空心墩。

表1 国内已建成具有代表性的高墩大跨连续刚构PC 梁桥

随着桥墩高度增高， 桥墩上部及桥面的风速明显增大， 作用在高墩大跨连续刚构桥上的风荷载效应也会大很多，这类桥对风荷载效应更加敏感。 因此，对高墩大跨连续刚构桥在施工阶段和成桥运营阶段进行风荷载作用效应分析尤为重要。

本文以某高速上的一座高墩大跨连续刚构PC 梁桥为研究对象，采用MIDAS/Civil 建立全桥杆系模型，对下部结构在施工阶段和成桥运营阶段， 分别进行风荷载静力作用分析，研究结论可为类似工程提供参考。

1 工程概述

本桥是某高速上的一座特大型桥梁， 桥梁全长1620.5m，跨径组合为3×40+(60+110+60)+2×40+(88+160+88)+4×40+11×30+4×40+5×40 m， 其中(60+110+60)m 和(88+160+88)m 采用变截面预应力混凝土连续刚构桥，30、40m 采用预应力混凝土连续T 梁。 本文选取(88+160+88)m 变截面预应力混凝土连续刚构桥为研究对象。 上部结构采用变截面预应力混凝土结构，单箱单室截面，跨中梁高3.5m，支点梁高9.5m，中间梁高为1.8 次抛物线规律变化。 箱梁顶宽13.0m， 箱梁底宽6.75m， 左右悬臂长各3.125m，箱梁跨中顶板厚28cm，截面腹板宽50cm，根部截面箱梁腹板宽95cm， 在第5、11、17 号节段线性过渡。中支点根部底板厚度120cm，跨中底板厚度32cm，中间底板厚度按1.8 次抛物线规律变化。

考虑桥墩滑模施工方便， 主墩及过渡墩均采用等截面型式。 主墩最大墩高89.2m，采用双肢等截面空心薄壁墩，沿高度每隔30m 设置一道实心“H”型系梁，截面厚度为1m。墩厚纵桥向宽3.2m，横桥向宽6.75m，壁厚0.95m。左右幅采用整体式桥台，基础采用6 根Φ2.5m 钻孔灌注桩。 过渡墩采用等截面空心薄壁墩，空心墩厚3.5m，壁厚0.6m，基础采用4 根Φ2.2m 的钻孔灌注桩。

2 有限元模型

采用桥梁计算专业软件MIDAS/Civil 建立空间杆系有限元计算模型，如图3 所示。主梁及桥墩均用梁单元模拟，主梁共140 个单元，141 个节点；桥墩共128 个单元，130 个节点。 墩梁采用刚性连接，墩底固结。 按照设计要求，主梁采用C55 混凝土，桥墩采用C40 混凝土，承台及桩基础采用C30 混凝土。 设计荷载为公路-I 级，预应力钢筋采用高强度低松驰17 丝捻制预应力钢绞线，公称直径15.2mm，公称面积139mm2，标准强度fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，1000h 后应力松驰率不大于2.5%， 预应力管道采用塑料波纹管成形， 管道摩擦系数u=0.17；管道偏差系数K=0.0015m；锚具变形和钢束单端回缩量6mm。 其余设计参数均按《公路桥涵设计通用规范》[2]和《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》[3]取值。

模型施工阶段按实际施工顺序划分51 个施工阶段。其中阶段1 为下部结构施工； 阶段2 为托架现浇0 号块施工；阶段3～44 为1～21 号块悬臂挂篮施工，每个悬臂浇筑梁块采用先在挂篮中浇筑混凝土， 待混凝土达到一定强度后张拉当前单元预应力钢束，然后将挂篮前移，再浇筑下一阶段混凝土。 阶段45～47 为边跨合拢施工， 阶段48～49 为主跨合龙施工。 阶段50 为成桥后二期铺装施工，阶段51 为成桥后运营3650 天。

3 风荷载效应分析

(1)风荷载取值

图1 主桥桥型布置图 单位：cm

根据《公路桥梁抗风设计规范》[4]关于桥梁抗风计算按W1 风作用水平和W2 风作用水平确定。W1 风作用水平取值：①重现期10 年(即10 年超越概率65.1%)的设计风速； ②当按①确定的主梁上的风速值大于25 m/s 时，取25 m/s，风荷载可与汽车荷载及相关作用组合。 W2 风作用水平取值： ①重现期100 年 (即100 年超越概率63.2%)的设计风速，汽车荷载不参与荷载组合。 风荷载与其他作用组合时的分项系数、组合值系数按《公路桥梁抗风设计规范》第3.3.2 条规定取值。

图2 主墩一般构造图 单位：cm

图3 主桥MIDAS/Civil 计算模型

(2)不同墩高风荷载效应分析

表2 列出了W2 风作用下不同墩高对应的风荷载效应值。随着桥墩高度增加，桥梁基准高度Z 处的设计基准风速不断增大， 主梁及桥墩处的等效静阵风荷载也不断增大，墩底弯矩呈现增大趋势。 另一方面，随着桥墩高度增加，桥墩刚度却越柔，P-△效应越来越明显。

表3 和表4 列出了不同墩高下W1 风荷载效应占组合效应的比例情况。 墩底横向弯矩主要由汽车偏载和风荷载作用产生， 风荷载作用产生的横向弯矩占组合效应90%以上。 墩底纵向弯矩主要由升降温、汽车荷载、制动力、风荷载作用产生，风荷载作用产生的纵向弯矩占组合效应50%以上。 随着墩高增加，风荷载作用效应越明显，进行高墩受力分析时应考虑风荷载作用效应。

表2 不同墩高下W2 风荷载效应值汇总表

表3 不同墩高下W1 风荷载效应(横向弯矩)占组合效应比例汇总表

4 主墩截面承载力验算

(1)悬臂施工阶段风荷载静力作用分析

按《公路桥梁抗风设计规范》第5.6 条规定，对于悬臂施工的连续刚构桥， 宜对其最大双悬臂状态和最大单悬臂状态进行详细的横桥向与顺桥向的风荷载效应分析。

双悬臂施工的桥梁受横桥向风荷载作用时， 应考虑主梁上对称加载工况与不对称加载工况， 不对称工况加载时主梁风荷载一端宜取另一端的0.5 倍。 纵桥向风荷载加载考虑单侧桥墩纵向风荷载及竖向风力作用。 悬臂施工中常出现不平衡荷载， 在桥墩纵向分析时考虑以下两种不平衡荷载： ①不均匀梁重， 按一侧悬臂梁重提高3%取值；②悬臂浇筑不同步施工，按悬浇梁段相差一个梁段设置。

悬臂施工阶段， 主梁高度处百年一遇设计风速为29.0 m/s，超过按W1 风作用水平确定的25.0 m/s，悬臂施工最不利风荷载作用效应按W2 作用水平计算。 表5 列出悬臂施工阶段主墩稳定验算结果， 表6 列出悬臂施工阶段主墩承载力验算结果。 可以看出，悬臂施工阶段，最不利荷载工况下， 主墩稳定及截面承载承载力验算均满足要求。

表5 悬臂施工阶段主墩墩底稳定验算表

表6 悬臂施工阶段主墩墩底截面承载力验算表

(2)成桥运营阶段风荷载静力作用分析

成桥运营阶段，W1 风作用水平的设计风速为25m/s，风荷载可与汽车荷载及相关作用组合。 W2 风作用水平设计风速为29.14m/s，汽车荷载不参与荷载组合。

表7 列出成桥运营阶段考虑W1 水平风作用下主墩稳定验算结果， 表8 列出成桥运营阶段考虑W1 水平风作用下主墩承载力验算结果。 可以看出，成桥运营阶段，考虑W1 水平风作用，在最不利荷载工况下，主墩稳定及截面承载承载力验算均满足要求。

表9 列出成桥运营阶段考虑W2 水平风作用下主墩稳定验算结果，表10 列出成桥运营阶段考虑W2 水平风作用下主墩承载力验算结果。 可以看出，成桥运营阶段，考虑W2 水平风作用，在最不利荷载工况下，主墩稳定及截面承载承载力验算均满足要求。

表7 成桥运营阶段考虑W1 风作用下主墩稳定验算表

表8 成桥运营阶段考虑W1 风作用下主墩墩底截面承载力验算表

表9 成桥运营阶段考虑W2 风作用下主墩稳定验算表

表10 成桥运营阶段考虑W2 风作用下主墩墩底截面承载力验算表

5 结论

(1)高墩大跨连续刚构PC 梁桥受风荷载作用效应明显， 设计中应按施工阶段和成桥运营阶段考虑风荷载作用。

(2)悬臂施工阶段，同时考虑风荷载W2 水平作用和不平衡荷载作用下， 主墩稳定及截面承载力验算满足规范要求。

(3) 成桥运营阶段， 分别考虑风荷载W1 水平作用、W2 水平作用与其他荷载作用效应组合， 主墩稳定及截面承载力验算满足规范要求。