连续刚构桥梁结构设计及稳定性分析

韩 锋

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

连续刚构桥梁利用桥墩的柔性适应桥梁的纵向变形，在高墩、大跨桥型中应用较广[1]。当桥梁跨越深沟、河谷等障碍物时，连续刚构因承载力大、刚度大，行车舒适性好，经济效益明显等因素，成为大跨桥梁中首选的结构方案之一[2-3]。本文以一座3×150 m预应力混凝土连续刚构桥梁为工程依托，通过结构分析，为同类型桥型设计提供参考。

1 概述

1.1 工程概况

桥位区跨越黑水滩河，河内有常年溪流，河谷呈“U”型，河床宽40 m左右，桥位跨越段河最高洪水位270.60 m，常年洪水位264.60 m，测时水位261.10 m，常年有流水。桥位区上覆第四系素填土（Q4ml）、第四系全新统粉质黏土（Q4el+dl），基岩为侏罗系沙溪庙组（J2s）、下沙溪庙组（J2xs）、新田沟组（J2x）的砂岩、泥岩、页岩等。该项目设计速度80 km/h，技术标准采用双向四车道高速公路标准设计，路基宽度为24.5 m，单幅桥面宽度12 m。地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，桥梁地震基本烈度为Ⅵ度。

1.2 桥梁总体布置

引桥在K28+192.565上跨高速公路。左幅桥梁跨径组成为（3×40+35+15×40）m预应力混凝土先简支后连续T梁+（80+3×150+80）m预应力混凝土连续刚构+（4×50+8×40）m预应力混凝土先简支后连续T梁，桥梁全长1 898.8 m；右幅桥梁跨径组成为（19×40）m预应力混凝土先简支后连续T梁+（80+3×150+80）m预应力混凝土连续刚构+（4×50+8×40）m预应力混凝土先简支后连续T梁，桥梁全长1 902.1m。

图1 刚构桥桥型布置（单位：cm）

本桥主桥位于直线段，引桥起点至K27+086位于圆缓平曲线段，R=913.036 m，A=427.326，缓直点桩号K27+086。本桥第1、3孔跨天然气管线，为满足墩台距管线安全距离要求，第1～第4孔采用错孔布设，第28孔上跨高速采用50 m连续T梁上跨。

2 上下部结构设计

2.1 主梁细部尺寸

箱梁顶板宽12.0 m，底板宽6.5 m；根部梁高9.3 m，跨中3.3 m；梁底曲线按1.7次抛物线渐变；顶板厚度由标准段30 cm加厚至根部50 cm；腹板厚度由标准段50 cm加厚至根部70 cm；底板厚度由跨中32 cm渐变至根部100 cm。

2.2 预应力钢束布置

主梁为三向预应力混凝土结构。根据受力情况，顶板纵向预应力钢束采用15-19，腹板采用15-21，中跨合龙采用15-19型，边跨顶板采用15-19型，边跨底板采用15-17型钢绞线，并设置备用钢束。

主梁横向预应力钢束采用15-5型钢绞线。腹板竖向预应力采用15-3低松弛低回缩高强度钢绞线。

图2 刚构桥典型横断面（单位：cm）

2.3 下部结构设计

图3 主墩构造图（单位：cm）

图4 承台及桩基布置(单位：cm)

20～23号主墩为双薄壁空心墩，截面尺寸为3.5 m×8.5 m，基础采用22根直径2.2 m钻孔桩；19、24号过渡墩为薄壁空心墩，截面尺寸为4.5 m×6.5 m，最大墩高118 m，基础采用8根直径2.2 m钻孔桩。桩基均布置成梅花型，按嵌岩桩设计。

3 结构有限元模型

根据主桥成桥阶段和施工阶段有限元模型，进行总体静力分析。计算模型共有节点750个，单元740个，其中主梁由376个单元模拟，墩划分为364个梁单元。结构采用墩底固结，边支座设置弹性连接，结构静力计算有限元模型如图5。

图5 结构静力计算有限元模型

计算荷载及荷载组成[3]。

a）恒载 一期恒载包含主梁、横梁等自重，按实际断面采用容重26 kN/m3，横隔板按集中荷载考虑，二期恒载采用50 kN/m。

b）活载 公路-Ⅰ级。

c）温度 合龙温度18℃±3℃，整体升温24℃，整体降温26℃，主梁截面温差按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2018）取值。

d）基础变位（不均匀沉降） 主墩按隔墩沉降2 cm考虑，过渡墩按沉降1 cm考虑。

e）施工临时荷载 挂篮荷载按1 000 kN考虑，并考虑其偏心作用。

将风荷载分为运营风和百年风，其中运营风可与活载进行组合。按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）规定，运营风荷载桥面处风速为25 m/s；百年风荷载基本风速为27.5 m/s。计算时按规范考虑荷载组合工况。

4 上部结构静力计算

上部箱梁进行了正截面抗弯、斜截面抗裂、斜截面抗剪、主梁刚度等计算，均满足相关规范要求。

4.1 正截面法向压应力验算

图6 正截面法向压应力验算结果

按照规范要求，标准组合下预应力构件截面最大压应力应满足σkc+σtp≤0.5fck= 0.5×35.5=17.75 MPa。在标准组合下，主梁截面最大法向压应力图如图6，可见主梁上缘最大压应力为16.57 MPa，下缘为11.93 MPa，均小于17.75 MPa，满足现行规范要求。

4.2 斜截面主压应力验算

按照规范要求，混凝土的主压应力应符合下式规定：σcp≤0.6fck=21.3 MPa，标准组合下，主梁最大主压应力如图7所示，其中最大主压应力为16.57 MPa，小于21.3 MPa，满足现行规范的要求。

图7 斜截面主压应力结果图形

4.3 短暂状况法向应力验算

按照规范要求，施工过程中，混凝土法向压应力满足：σcc≤0.7ftk=19.88 MPa，混凝土法向拉应力满足：σct≤1.15ftk=2.15 MPa。施工过程中主梁上下缘最大拉压应力如图8，最大压应力为13.26 MPa，最大拉应力为1.53 MPa，均满足现行规范要求。

图8 短暂状况法向应力计算结果

5 主墩施工过程中承载力验算

在悬臂施工过程中，由于主梁悬臂浇筑进度不均匀、挂篮脱落、风荷载以及浇筑不均匀等情况可能使主墩处于不利受力状态，表1列出最高墩22号主墩施工过程最不利工况下的内力状态，其中风荷载重现期系数0.84，一侧挂篮重1 000 kN，浇筑质量不均匀取两侧悬臂段重量分别乘以1.025，0.975的系数。表1仅给出左肢下端位置内力计算值。

对以上各工况进行偏压承载力验算，横向计算长度系数取2.2，纵向计算长度系数取1.5，验算结果见表2，可见施工过程中最不利状态为最大悬臂状态加横向不对称风荷载，安全系数为1.66，满足相关规范要求，结构安全。

表1 最高墩22号墩施工过程最不利状态结果

表2 最高墩22号墩施工过程最不利状态验算结果

6 稳定性分析

6.1 成桥稳定分析

计算成桥运营阶段稳定分析时，将活载按规范大小以梁单元荷载形式加载到模型中，计算了自重、活载的稳定分析，根据验算结果可知结构体系的最小稳定系数为18.72。前两阶屈曲模态振型图如图9[4]。

图9 前两阶屈曲模态振型

6.2 施工阶段稳定分析

图10 主墩前两阶屈曲模态振型

施工阶段稳定分析计算中跨合龙前最大悬臂阶段，考虑了自重、一侧挂篮不平衡荷载进行屈曲分析。根据验算结果得出23号墩最不利，最小稳定系数为15.97。

7 结论

本文以一座3×150 m连续刚构桥梁结构设计为例，通过有限元分析，得到了较优的受力状态。通过研究，可以得出以下结论：

a）结合实际地形条件，采用主跨3×150 m预应力混凝土连续刚构桥型跨越沟谷；桥梁受力性能好，结构刚度大。随着工程建设需求的多元化发展，受地形、跨度、净空等因素制约，该桥型具有较大竞争优势，成为大跨桥梁中首选的结构方案之一[5]。

b）结合结构有限元分析，有效确保选定的结构上下部结构尺寸合理，全桥受力状态较合理。

c）稳定性分析计算表明，施工阶段最小稳定系数为15.97，相比成桥阶段最小稳定系数为18.72，施工阶段桥墩更容易失稳。其中最大悬臂状态下稳定性最差，对桥墩设计具有指导性意义[6]。

d）最大悬臂状态下稳定系数一般小于成桥状态，通过计算显示，最大悬臂状态第一阶稳定系数值大于10，第二阶稳定系数大于2.5，桥墩具有较大的安全储备[7]。