墩梁刚度比对高墩大跨连续刚构桥静力性能的影响分析

郜保银

（武汉综合交通研究院有限公司，湖北 武汉 430000）

近年来，由于我国交通运输、科学技术的快速发展及西部地区建设的不断深入，西南地区跨越高山峡谷的公路桥梁日渐增多。由于山区地质地形及地貌复杂多变，因此桥梁线形比较复杂，往往需要跨越深沟和峡谷，使得山区公路桥梁建设需集曲线、高墩、大跨径于一体，越来越多的高墩大跨度桥梁在复杂的高山峡谷地区的桥梁建设中应运而生。

高墩大跨径刚构桥是一种特殊的连续梁桥，4项构造特点包括上部结构与一般连续梁桥一样，整个结构连成一个整体，桥面平顺，整体性好，行车更加舒适；桥墩高大而且一般采用薄壁墩，桥墩有较大的柔度，形成摆动支撑体系，可以有效减小结构次内力；由于桥墩和主梁固结在一起，为进行悬臂施工提供了有利条件，同时也无需再次更换支座；桥型美观，且桥梁抗震性能优良，可以有效缓解地震动力的影响。

由于科技的进步和经济的快速发展，公路桥梁的建设时间大大缩短，导致许多问题得不到有效解决或者来不及解决，本文讨论的内容正是针对西部等复杂地形桥梁的“大跨径”和“高墩”等地域性特点提出，合适的墩梁刚度比不仅能够满足整个桥梁结构的顺桥向刚度，还可以有效改善桥梁上部结构的内力分布，充分挖掘混凝土和钢材各自的力学潜力，使工程经济指标更合理，并增大结构跨越能力。

一、工程概况与动力计算模型

（一）工程概况

坞家湾大桥主桥为三向预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置为58m+100m+58m。主桥上部结构为变高度箱梁，单箱单室截面，布置有横向、竖向和纵向三向预应力；下部结构为矩形实心墩，基础为群桩基础，每个承台下埋设有4根桩。

（二）静力计算模型

静力计算运用桥梁通用有限元软件Midas/Civil建立坞家塆大桥的全桥梁单元模型。曲率半径为750m，全桥结构简化为187个节点和182个单元；主墩划分为104个单元。主梁和主墩均采用迈达斯梁单元模拟，钢束按施工图纸的实际空间位置布置；桥梁承台和桩基础均没有模拟，直接在墩底部做固结处理。

零号块局部实体单元模型采用Midas/FEA建立，如图2、图3所示。零号块模型采用自动实体网格划分，模型共离散为36602个单元和9766个节点，其中包括两个连接单元，混凝土和三向预应力钢绞线分别使用3D实体单元和FEA钢筋单元模拟。依据圣维南原理，结构所受荷载的具体分布形式只对离其作用区比较近的部位的应力产生影响，因此相对较远部分的应力状况可认为对零号块空间应力的分布没有影响。模型以零号块及其相邻的1号节段、2号节段和8m长的高墩作为分析对象，将Midas/Civil中得到的整体内力计算结果作为零号块细部模型局部切开处的边界条件，以集中力、弯矩和扭矩的方式加载到零号块相应的端部截面质心处，以此求解零号块局部的应力状况。

图1 桥梁结构有限元模型

图2 零号块局部有限元模型

图3 三向预应力布置图

二、静力性能分析

（一）荷载工况及作用荷载值

工况一：自重+二恒+预应力钢束荷载+墩顶最大负弯矩（所对应节点内力）

工况二：自重+二恒+预应力钢束荷载+墩顶最大剪力（所对应节点内力）

从整体杆系模型中提取的内力结果，其作用点在相应截面的质心处。

（二）零号块应力分析

在荷载工况1作用下，为清楚地显示零号块内部的应力情况，零号块应力云图采取顺桥向剖分的断面显示，如图4、图5所示。

图4 主拉应力云图

图5 主压应力云图

由图4可知，零号块顶底板和腹板及横隔板处应力水平不高，比较均匀，绝大部分主拉应力值小于0.2MPa，满足结构受力要求。

由图5可知，零号块主压应力除横隔板处应力水平较低外，其余部分应力分布比较均匀，主压应力幅值为5.3MPa，满足结构受力要求。

当墩梁刚度比以0.25、0.5、1、2、4的倍率变化时，分析不同墩梁刚度比对零号块主应力幅值的影响规律，分析中通过改变材料的弹性模量来实现结构刚度参数的调整，不改变结构的截面特性。

由图6可知，相应的主应力幅值均随着墩梁刚度比的增大而减小，在墩梁刚度比小于1的范围内变化比较剧烈，大于1之后渐趋平缓，且幅度相对较小，说明墩梁刚度比对零号块主应力的应力幅值影响不明显，在设计时可予以适当考虑。

图6 墩梁刚度比对主应力幅值的影响

（三）墩顶截面剪力滞效应分析

在工况2作用下，首先利用Midas/FEA求得顶板的实际法向应力，然后利用桥梁通用有限元软件Midas/Civil得到墩顶截面顶板的正应力，剪力滞系数。

根据公式计算得到墩顶断面顶板25个计算控制点的值。

由计算可知，墩顶断面顶板剪力滞效应比较显著，断面外侧的值相对较小，其范围为0.89～1.37，相比较而言，梁内侧的剪力滞系数很大，剪力滞系数范围为2.09～2.59。由此可见，混凝土箱形截面梁的剪力滞效应在高墩大跨连续刚构弯桥这种桥型中比较显著，设计时应足够重视，以免低估应力幅值造成箱梁的强度破坏。

当墩梁刚度比以0.25、0.5、1、2、4的倍率变化时，截面内外侧值的最大值随着墩梁刚度比的变化如图7所示。

图7 墩梁刚度比对剪力滞系数幅值的影响

由图7可知，截面外侧剪力滞系数幅值与墩梁刚度比成正相关，而内侧的变化趋势则刚好相反，随着墩梁刚度比的变大而变小，且截面内侧的幅值始终大于截面外侧的幅值。

三、结语

坞家湾大桥主桥静力分析计算结果表明，在荷载工况1作用下，零号块主拉应力分布均匀，应力水平比较低，满足规范要求，且有很大的安全储备；在荷载工况2作用下，零号块墩顶截面剪力滞效应比较显著，相应的最大值为2.59。因此，大跨径箱室结构的设计应该考虑应力不均匀的不利影响。

随着墩梁刚度比的增大，零号块第一、第三主压应力幅值均慢慢减小，变化速率先快后慢，总之应力水平变化不是很大，说明墩梁刚度比对零号块主应力水平影响较小，在设计时可以适当考虑。

随着墩梁刚度比的增大，截面外侧剪力滞系数幅值慢慢变大，截面内侧幅值则慢慢减小，且变化区间均比较宽，说明墩梁不同的刚度比对零号块墩顶截面处的剪力滞效应影响比较显著，在设计同类型桥梁时应给予重视。

合适的墩梁刚度比不仅能够很大程度地改善梁体的内力分布情况，还能充分发挥混凝土的受压性能和钢筋的受拉性能，其相关研究仍有很大的发展和应用空间。