连续刚构大桥结构应力分析

刘通

摘要：文章结合桃溪预应力连续刚构大桥工程实例，利用Midas软件建立了有限元模型，对该桥预应力梁进行了弹塑性分析，并通过对其上部结构和下部结构进行内力计算、控制界面的应力验算、变形验算等，分析了该桥的设计特点及结构应力。

关键词：连续刚构;成桥应力分析;悬臂现浇;应力验算;承载能力验算

中国分类号：U441+.5文章标识码：A240914

0 引言

桃溪预应力连续刚构大桥位于我国贺州市昭平县，该地区处于构造剥蚀侵蚀缓坡丘陵地貌区，沿桥轴线地面高程一般为15～21 m，主要河流有桂江及其一级支流思勤江（即走马河），属珠江流域西江水系，方向自北向南;境地属亚热带季风性湿润气候，气候温和且雨量充裕，年平均气温20.1 ℃，年降雨量>2 056 mm，线路区植被较为发育。桥墩位于覆盖层主要由第四系冲洪积（Qpal+pl）成因的淤泥质黏土区域;桥墩下伏基岩为燕山晚期侵入的强风化泥灰岩，桩基钻孔位于强风化岩地下水位埋深约9.3～10.3 m处。沿线地下水可划分为碎屑岩孔隙裂隙水、岩溶水、第四系孔隙水三大类，以碎屑岩孔隙裂隙水为主，岩体节理裂缝较为发育，岩体破碎-较破碎为主。

综上所述，连续刚构桥无论是从桥梁桥型还是经济层面考虑，均有一定的竞争优势，而且在国内技术成熟，具有普遍性、可行性、实用性等特点，现针对桃溪刚构大桥的结构应力合理性进行分析研究，可为广西丘陵地貌地区高速公路的同类型桥型设计提供参考。

1 工程概况

桃溪桥为贺州至钟山高速公路（钟山至昭平段）上的一座控制性桥梁，主桥采用85 m+130 m+85 m预应力混凝土连续刚构桥，边主跨比为0.65，桥梁设置为单项纵坡，坡度为1%;该桥按设计时速为100 km/h、公路-Ⅰ级汽车荷载、双向两车道高速公路标准建设;桥墩采用薄壁墩结构形式，属于柔性墩，自身抗剪能力强，能够较好承受墩顶传来的水平力（主要为制动力或牵引力），墩底承受的弯矩、梁内的轴力比较大，适用于剥蚀侵蚀缓坡丘陵地貌区，主桥桥型布置见下页图1。

2 结构特点

连续刚构桥主要通过梁墩固结连接的方式，对桥梁的主梁进行固定，同时将桥墩与其融为一个整体，在桥梁自重和运营状态下，桥墩会接收到主梁所传递的荷载，桥墩支座顶及其附近产生负弯矩，跨中产生一部分正弯矩，彼此之间相互抵消，从而使内力结构较为均匀。混凝土预应力连续梁桥一般为超静定结构。在高墩大跨径桥梁中，与斜拉桥梁结构体系比较，连续梁体系完整、受力均匀且对基础要求相对较低;与拱桥结构体系相比，连续梁具有跨中弯矩小、承载能力大、节省材料、桥跨连接无须设置伸缩缝从而行车舒适平顺等优点[1]。

3 主桥上部结构

主梁采用单箱单室变截面连续箱梁，内部设置纵、横、竖三向预应力束，箱梁采用C50钢纤维混凝土，按照规范《大跨径连续刚构设计的指南》（JTG D62-2004）中关于箱梁一般尺寸构造的规定，全截面箱梁顶板宽度为12.7 m，桥面宽度为0.6 m（防撞护栏）+2×3.5 m（机动车道）+2×2 m（非机动车道）+0.5 m（中央分隔带）+0.6 m（防撞护栏），桥面采用10 cm防水混凝土铺装层和8 cm的沥青混凝土、磨耗粘合层，总计18 cm，桥面设置横坡为2%。悬浇底板宽度为7.1 m，箱梁悬臂板长度为2.8 m，箱梁顶板翼缘端部厚度为0.25 m，顶板厚度为0.35 m，底板厚度由支座处截面的0.85 m至跨中的0.26 m;腹板宽度为0.45 m，支点截面梁高采用主跨跨径的1/20～1/15，取1/18，即支座梁高7.13 m。跨中截面梁高为主跨跨径的1/50～1/30，取1/50，即跨中梁高2.7 m，梁底曲线根據《混凝土连续梁设计指南》中的相关规定，选取1.8次抛物线[2]，见图2。

纵向预应力束设计分别采用19股、25股、27股3种不同股数钢绞线，对应顶板束采用OVM27-27型锚具、腹板束采用OVM12-12型锚具、底板束采用OVM9-9型锚具，单个锚具的设置回缩量为6 mm;管道采用塑料波纹管成孔;预应力钢绞线采用公称直径为S=15.2 mm，其对应公称面积S=140 mm2;标准抗拉强度值fpk=1 860 MPa，张拉控制力σcon=0.75，fpk=1 395 MPa;竖向预应力筋采用单根公称直径32 mm的精扎螺纹钢筋，YGM32型锚具;横向采用3根公称直径S15.2 mm预应力钢绞线，BM15-2扁平锚具。所有钢绞线均符合ASTM416-87A的技术标准[3]，预应力钢束布置见图3、图4。

4 内力计算及荷载组合

4.1 模型简介

桥梁总长300 m，迈达斯建模共设置76个单元、83个截点、16个施工阶段;两端满堂支架法施工，中跨平衡挂篮施工;每一个施工阶段从0#块开始左右自成一个单元，设置了每个施工段能实现的单元，同时还模拟预应力筋的布置;全桥主跨单元是悬臂浇筑法施工，利用Midas模拟不同施工环节，在恒载作用基础上，进行桥梁结构、温度梯度以及混凝土收缩、NT和PSC截面的计算。从材料与截面特性到定义施工阶段，再到PSC的截面分析，要考虑预应力的布置以及梁单元内里图分布是否合理，这取决于桥梁截面最大剪力与弯矩的控制设计，见图5。

4.2 荷载工况计算结果

在Midas模型的支持下，结合桥梁项目具体参数数值，对于车道的设计，根据相关规范横向折减数值为0.78，同时考虑载荷荷载效应，确定最终的折减系数。需要注意的是，车道荷载作为汽车荷载中的组成元素，要严格按照公路Ⅰ级车道荷载要求，标准值Qk=10.5 kN/m，集中荷载标准值PK= 360 kN。剪力效应PK值应乘以一个因数P=1.2，车道广泛均布荷载应满布在结构相同的线数的最不利影响处，只有作用于高峰影响线，才能得到理想状态。

桃溪连续刚构桥采用的是悬臂浇筑法施工，因此施工阶段应力分析主要考虑恒荷载（自重）、施工荷载、混凝土徐变和收缩、预应力束等因素，最大、最小应力状态见表1。

根据Midas软件计算结果得知，在考虑最不利因素影响下，施工阶段梁段截面均满足规范设计要求;在极限状态下梁段截面上缘处最大、最小主压应力也分别在允许应力值范围内，说明结构受力情况良好，结构的抗弯、抗剪极限承载力均满足规范设计要求。在正常施工阶段组合工况下，数据表明1/2、1/4跨中处压应力较为集中，从侧面说明梁体下挠程度也较大。在预应力钢束锚固和梁体收缩徐变作用下，主压应力最大值为-1.84 MPa，略微偏大。跨中截面出现主压应力偏高，但箱梁截面应力突变仍在允许值范围内，可平稳地进行下一阶段的边中跨合龙。

分析桃溪连续刚构成桥合龙时，整个应力分析以边跨合龙、中跨合龙、成桥运营3个状态为主，除了工况荷载叠加风荷载之外，基础沉降方面以及预应力损失等都需要综合考虑。根据承载力验算，若处于正常状态，边中跨合龙成桥结构截面最小压应力为-0.2 MPa，最大压应力为17.6 MPa，与施工阶段相比，数据处于规范值。

成桥运营阶段，连续刚构结构计算考虑包括桥梁自重、二期恒载、混凝土收缩徐变、工况荷载叠加、温度梯度、风荷载、汽车荷载的作用，同时对施工过程中梁体截面进行了应力验算，结果满足规范设计要求，见表2。

5 墩身弹塑性分析

通过Midas模型分析墩身弹塑性，避免运营期间梁体产生横向扭矩和纵向剪力倾覆而导致墩身失稳破坏，要分散荷载在墩顶部位的集中力。此桥墩身高40 m，下部结构混凝土采用C40材料，轴心抗压值fck=26.8 N/mm2;轴心抗拉值为ftk=2.4 N/mm2;箱梁采用C50材料，预应力钢束弹性模量为2.0×107，线膨胀系数为1.0×10-5;下部结构采用混凝土C40材料，墩身和梁体轴心抗压值均为fck=26.8 N/mm2;轴心抗拉值均为ftk=2.4 N/mm2;弹性模量均为2.35×104 MPa，桥墩、主梁混凝土材料容重均取值0.2，极限压应变系数取值0.04。

同时考虑最大悬臂和成桥合龙状态下的结构荷载：工况一（桥梁自重+温度梯度作用）;工况二（结构自重+车辆荷载+风荷载）;工况三（二期恒载+车辆荷载+风荷载）。模型结果显示桥墩稳定性满足规范要求，桥墩弹塑性稳定系数见表3。

6 结语

连续刚构特大桥均适用于丘陵地区、山地峡谷地区等险峻地形地貌，但由于连续刚构纵向剪力和横向扭矩结构受力特点，加上温度梯度变化、混凝土收缩徐变、施工不規范等因素影响，可直接导致支座0#节块出现横向裂缝、成桥跨中主梁挠度过大、箱梁内部应力检测不合格等缺陷。

通过连续刚构特大桥箱梁关键截面的应力监测，研究施工过程中应力变化，为桥梁施工及运营安全提供了保障。在桃溪大桥合龙成桥阶段和运营阶段，结构应力状态均较为稳定，梁体预应力裂缝是否产生取决于对结构尺寸方面的精准控制以及及时掌握结构受力状态。从施工质量、精细测量、外观尺寸及模板高程纠偏等要点进行监测，结合梁体节段混凝土浇筑后及时养护、避免锚端张拉后应力损失、收集应力监控和成桥静载实验过程信息等举措，特别针对连续梁刚构箱梁进行科学规范设计，能保证成桥后连续刚构恒载受力稳定，减少跨中及支座处的横向张拉裂缝，让墩梁固结与预应力筋共同参与工作，使得运营期间车辆活载引起的跨中弯矩及其恒载内力都在规定的标准值区间，从而保证连续刚构特大桥使用运营寿命得以延长。

桃溪连续刚构特大桥于2019年6月份已顺利合龙，桃溪连续刚构特大桥从悬臂浇筑状态到成桥运营状态其挠度变化和结构应力状态都较为良好，此桥的成功建设对于广西喀斯特丘陵地貌山区的桥梁建设具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]杨光强，吴 辉，吴定超.超高墩大跨径连续刚构桥设计[J].交通科技，2014（4）：1-4.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]孟昭敏，李学军.预应力施工技术在公路桥梁中的要点分析[J].建筑工程技术与设计，2015（19）：832.

[4]马宝林.高墩大跨径连续钢构 [M].北京：北京人民交通出版社，2002.