水平底板索连续刚构设计关键参数研究

胡卫东

甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司 甘肃 兰州 730030

连续刚构桥指主梁与墩身固结的连续梁桥，连续刚构结合了T形刚构在悬臂施工中保持体系平衡、有效利用桥墩的结构潜能的优点，又吸取了连续梁桥在整体受力上能承受正、负弯矩的优点，所以在工程实践中得到广泛的应用。

传统的连续刚构桥梁底板多为二次或多次凸形抛物线，为追求结构形式的轻盈效果，中跨跨中截面高度往往很小，在后期运营过程中会出现不同程度的跨中下挠以及跨中底板崩裂破坏。并且过大的下挠会使车辆在通过桥梁时发生跳车现象，增加车辆荷载对桥梁的冲击作用，危害结构安全。

近年来，大量已建成大跨度连续刚构出现持续下挠的情况，于1955年建成通车的黄石大桥（162.5m+3×245m+162.5m连续刚构）通车7年后测得跨中最大下挠30.5cm；1997年建成通车的虎门大桥航道大桥（150m+270m+160m连续刚构）通车6年后测得跨中最大下挠22.2cm；。每座连续刚构桥梁都是投资巨大，后期的加固处置不仅费用不菲且无法从根本上解决问题，对桥梁结构安全以及行车舒适度造成很大的影响。

传统的大跨径预应力混凝土箱梁桥普遍存在主梁下挠过大的问题，长期以来，将此问题归因于混凝土收缩徐变、预应力、施工方法等因素。通过多次研究表明，以上几个因素对长度挠度的影响十分有限，基于此，从构造入手，探究构造因素对长期挠度的影响。

为此，吴国松等人提出了一种底板索水平布置预应力混凝土变截面箱梁桥，将箱梁内跨中底板相应梁高的位置纵向设置水平锚固板，在跨中L/2截面至3L/8截面区段，水平锚固板和箱梁 底板融为一体。具体布置方式见图1。

图1 跨中底板索布置方式

对常见的几种大跨度梁桥立面形式进行对比可知，传统形式连续刚构（以下简称连续刚构）的梁体跨中高度最小，T形刚构和连续钢桁架的梁高变化方式比较相近，且跨中截面高度均要大于连续刚构，而水平底板索连续刚构的立面线型则是更多的参照T形刚构。桥型对比见图2。

图2 常见大跨度梁桥结构形式对比

1 受力分析

取跨中梁段进行局部受力分析，传统连续刚构跨中底板索沿底板线型与底板呈平行布置，根据力的叠加原理，可得，跨中处底板预应力最大，且沿边跨方向逐渐减小。

取跨中底板束某一节段进行分析，将钢束张拉力沿水平方向和竖直方向进行分解。水平分力可以为梁体提供需要的预应力，提高结构刚度，但是竖向分力为无用分力，且无其他力进行抵消。

对跨中底板索段进行整体受力分析，将径向分力简化成跨中底板索段受到的径向力，可以发现，均布径向分力作用区间、作用方向与梁体下挠方向和下挠位置基本一致。同时径向力产生的初始变形向下，加剧箱梁下挠。

2 径向力量化分析

底板纵向钢束完全沿底板曲线行走将导致较大的径向力，任意点径向力分力几度q=T/R,其中T为该点有效预应力，R为该点曲率半径。

对该桥采用传统设计参数确定底板变化形式，假定梁高变化采用1.5次抛物线，跨中梁高3m，支点处梁高9m，则梁高变化曲线为

利用MIDAS Civil建立建立桥梁模型，提取中跨在跨中底板索作用下的竖向位移。

由图3可以看出，跨中底板曲线设置的连续刚构桥位移明显大于跨中底板水平设置，最大相差15%，由此可见跨中底板水平设置方式更优。

图3 底板索径向力作用下的位移

3 水平底板索水平段长度的确定

水平底板索技术的关键参数有：等截面水平段长度、等截面水平段高度、水平段与曲线段的过渡方式。假定跨中梁高为4m，根据主孔跨径及阶段划分长度，本桥的跨中底板索设置长度宜为58m，其中跨总合龙段为2m，按照单侧水平段个数进行区分，考虑到刚度原因及构造原因，可选择个数为3、4、5，即确定为26m、34m、42m进行对比。

新庄壕大桥箱梁高度方程：

其中h中为跨中水平底板段梁高，l中为跨中水平底板段长度，x原点在跨中水平底板段端部。

调整等梁高段长度与箱梁高度方程，分别建立有限元模型。在连续刚构桥的计算中，主要控制因素是应力，同时考量本文主要研究的位移控制，从应力和位移两个维度去比较跨中水平底板段的设置。

分别建立跨中水平段长度分别为26m、34m、42m的连续刚构有限元模型，得到中跨在基本组合工况下的板底竖向位移，见图4。

图4 不同水平段长度时的竖向位移（单位：mm）

得到中跨在不同水平底板长度时的底板最大组合应力，见图5。

图5 不同水平段长度时的最大组合应力（单位：MPa）

由以上三种不同水平段长度的分析结果可知：

1）对比中跨最大位移值，跨中水平段长度为34m的中跨底板竖向位移最大值最小；

2）对比中跨最大组合应力值，组合应力在绝大部分节段内数值变化不大，在等截面和变截面交界处变化较为明显，且随着跨中水平段长度的增大而增大。跨中水平段长度的变化，在一定范围内能够提高组合应力的最大承载能力，但是当超过一定的限值后，变化趋势成负相关。因此在设计中，既要减小突变处的应力，又要增加跨中最大组合应力，所以水平段的长度应适当选取，结合组合应力变化，跨中水平段长度为34m的设置方式更优。

4 结论

通过对传统连续刚构桥跨中底板索的的受力分析，底板索的径向分力是造成梁体下挠的主要原因，通过对比有无径向力的计算结果，可知水平底板索连续刚构桥能够在根本上解决跨中底板索径向力对跨中下挠的影响，但是跨中等梁高段的长度、高度等参数还是要根据跨径、节段长度等综合考虑试算得出，保证在满足受力的前提下尽可能优化结构，提高构造合理性。

1）从竖向位移上看，不同水平段长度变化大致相同，但是由于水平段长度不同，竖向位移达到最大值的位置也不同，其中34m的连续刚构最大位移绝对值最小。不同水平段高度变化大致相同，随着水平段高度的增大而增大，故不宜采用过大梁高。

2）从组合应力上看，不同水平段长度变化大致相同，变化主要表现在等截面和变截面的交界处，其中26m最小，42m最大。在支点处，26m时组合应力最大，所以水平段的长度应根据应力分布最优来设计，故长度选择为34m。不同水平段高度的变化趋势大致相同，但综合考虑支点处和跨中处的组合应力，梁高选择不宜太大或太小。