矮墩连续刚构桥设计要点分析

李建强

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司上海200092）

0 引言

常见工程中，常将刚构桥桥墩做成柔性高墩，减小顺桥向的抗推刚度，以改善混凝土结构收缩、徐变、温度力、预应力次内力等作用下的受力性能［1-3］。但是，实际上往往因为外界条件的影响，做成矮墩预应力连续刚构桥［4-7］，比如近海环境下景观需求、相交道路净空要求以及线位走向等。矮墩预应力连续刚构桥由于桥墩较矮，抗推刚度大，柔性小，墩底和墩顶将会承受较大的内力。这种结构在温度力、预应力次内力等作用下的内力，是影响该类桥梁设计的重要节点。因此，本文通过对珠海市横琴区某跨海矮墩预应力连续刚构桥设计进行分析，提出该类桥梁设计注意事项，为今后类似桥梁设计提供一些参考和借鉴。

1 工程概况

某工程位于珠海市横琴岛西南侧的峡湾内，处于风景旅游区，景观要求较高，且处于外海环境。其海上段桥梁全长2.2 km，是世界上最长、桥面标高最低的跨海大桥之一。

考虑周围地块景观等需求，桥面标高定为5.5 m，平均墩高约为5.0 m。采用低桥位设计方案。鉴于桥梁结构耐久性，波浪力影响，采用矮墩连续刚构方案，其桥型布置如图1 所示。单幅桥宽23.75 m。上下部结构采用固结体系，上部结构采用锅底型箱型断面，下部采用桩接柱，桥墩边墩采用φ90，中墩采用φ120，桩基采用钻孔灌注桩，其桥梁横断面如图2所示。

图1 矮墩预应力连续刚构桥型布置Fig.1Bridge Layout about Short-pier Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge （cm）

2 空间有限元模型及工况分析

本工程中矮墩预应力连续刚构桥采用Midas Civil 2019 软件分析，采用梁单元对主梁、桥墩、桩基进行模拟，建立空间模型进行分析。具体对以下情况进行分析：

⑴ 分析桩土效应对矮墩连续刚构桥的影响；

⑵ 分析桩基淤泥层厚度对矮墩连续刚构桥桥墩内力计算结果的影响；

⑶ 分析混凝土收缩、徐变、温度力，预应力次内力、不均匀沉降等作用对桥墩内力的影响。其有限元模型如图3所示。

图2 矮墩预应力连续刚构横断面布置Fig.2 Cross-section Layout for Short-pier Prestressed Rigid Frame Bridge （cm）

图3 矮墩连续刚构桥空间有限元模型Fig.3 Spatial Finite Element Model for Short-pier Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge

3 桩土效应的有限元分析

因矮墩预应力连续刚构桥墩较矮，温度效应、预应力次内力影响较大，有限元模拟时不能简单地将桥墩与基础固结，对于矮墩计算需要考虑桩土共同作用，本文仅将桩周土的作用看成线弹性土弹簧，采用规范中的“m法”解决桩基的模拟［8］。分析桥墩与基础固结、考虑桩土效应2种工况下、频遇组合［9］作用下墩顶弯矩、墩顶位移和裂缝情况，其结果如表1所示。

从表1 可看出，墩底固结与考虑桩土效应情况下墩顶内力、水平位移、裂缝相差较大。因此矮墩建模时应考虑桩土效应，精确计算才能设计出合理的方案，避免造成浪费。

4 桩基淤泥厚度对矮墩计算结果影响分析

本工程位于珠海横琴岛外海峡湾内，施工场地均为海滩地貌，淤泥层较厚，且海上段桥梁全长为2.2 km矮墩预应力连续刚构。因地质变化引起的约束条件的改变对桥墩内力影响极为敏感，分析不同厚度淤泥层对矮墩刚构内力的影响很有必要。

从表2中数据分析可知，在桩顶标高-1.0 m处，随着淤泥层厚度增大，对桥墩内力和墩顶裂缝呈现减小的趋势，当增大到5倍桩基直径厚度淤泥层时，其内力和裂缝保持不变。因此设计中只需计算桥位沿线地勘钻孔淤泥最浅处桥梁结构内力情况即可。

表1 3种工况下结构模型桥墩内力结果对比Tab.1 Comparison of Internal Force Results with Basic Simulation Models under Three Conditions

表2 不同淤泥层厚度下桥墩内力结果对比Tab.2 Comparison of Internal Force Results under Different Silt Layer Thickness

5 矮墩连续刚构桥墩顶内力影响因素分析

考虑桩土效应［10］，分析混凝土收缩、徐变、温度力、预应力次内力、不均匀沉降等作用对桥墩内力的影响，其各项所占比例如表3所示。

表3 桥墩内力影响因素占比Tab.3 Proportion of Factors Affecting Bridge Pier Internal Force

从表3 分析数据得出：①对于4×20 m 连续矮墩刚构桥，对边墩和次边墩，混凝土徐变、预应力次内力、温度效应、混凝土收缩、不均匀沉降影响是基本一致的，且按照罗列顺序从大到小排列；②按照影响因素所占比分析，混凝土徐变对桥墩墩顶内力影响最大，上部结构预应力产生次内力次之。因此对于矮墩连续刚构桥设计，首先，上部结构的预应力设计应兼顾下部结构受力情况；其次，混凝土选择上需要综合考虑水泥品种、细度、水灰比、骨料和外加剂等因素。

6 矮墩连续刚构桥设计注意点

⑴ 为了改善矮墩的不利状况，在施工条件允许的情况下，适当降低桩顶标高，以有效减小墩柱刚度。

⑵ 4 跨一联连续刚构，尽量增大边跨的柔度，释放混凝土徐变、温度力、预应力次内力对桥墩产生的作用。

⑶ 混凝土的收缩、徐变对结构受力影响较大，应在设计、施工阶段选择适宜的混凝土材料。

7 结论

通过对矮墩预应力连续刚构桥建模分析，得出以下相关结论：

⑴ 对于矮墩预应力连续刚构桥，下部结构桥墩受力极为不利。在考虑施工条件下，合理增大桥墩受力不利处的配筋率，或对桥墩施加竖向预应力，能够有效地保证桥墩不开裂，提高结构耐久性。

⑵ 为了使矮墩连续刚构桥设计更加合理、经济，通过对比分析，结果证明建立包含桩-土效应在内的整体计算模型，合理考虑桩基柔度的有利作用很有必要。

⑶ 不同的地质情况对矮墩刚构内力影响较大，本工程中随着淤泥层的加厚，对结构是有利的，但达到5倍桩径淤泥层后，对墩柱内力计算结果无影响。