连续刚构桥梁结构设计及稳定性研究

邹宇峰 湖南交通职业技术学院讲师

连续刚构桥梁作为一种在高墩、大跨桥中广泛应用的柔性适应桥梁，桥梁跨度大，有利于满足建设要求。在连续刚桥梁建设中，此结构的桥梁具有承载能力强、适应性强等优势，能为建设企业带来更高的经济效益[1]。在连续刚构桥梁设计过程中，应当关注结构稳定性，观察结构设计是否合理及安全。对此，本文以3 m×150 m 预应力混凝土连续刚构桥梁为案例，对结构设计进行分析。

1 连续刚构桥梁的常见问题

1.1 箱梁开裂

第一，腹板斜裂缝。该问题也称为剪切裂缝，是箱梁中最容易发生的问题，发生该问题与横截面拉力及应力指标过大息息相关，截面尺寸不足及腹板发生弯曲容易诱发拉应力指标偏大的情况，进便会出现腹板斜裂缝。裂缝一般出现在主跨L/4 位置及边跨点周围。

第二，底板纵向裂缝。该裂缝与底板横弯不规则受力具有相关性，在底板应力影响下会导致底板发生崩裂问题。连续刚结构底板曲线一般是抛物线结构，一旦底板应力发生变化，容易自钢束中产生巨大的径向力，一旦发生横向变形，也容易导致底板产生裂缝，伴随连续刚结构发生变形，纵向裂缝的发生率较高。加之连续刚构底板具有较多的束板，在预应力施工阶段容易发生底板崩裂问题[2]。

第三，顶、底部诱发横向裂缝。在箱梁配置不全面的情况下，容易发生预应力改变，底板会出现横向裂缝。

1.2 跨中下挠

早期建设连续刚构桥梁的过程中，跨中下挠是非常常见的问题，随着刚构跨径增大，病害问题加重。比如，黄石大桥的主跨径距离为245 m，经过为期10 年的观察，下挠指数是323 mm。对此，在设计过程中应关注预应力降低情况，一旦预应力发生长期损失，结构中的预应力强度不足会导致工程建设质量降低。

1.3 高墩刚度不足

大跨度连续刚构桥梁在施工过程中，会遇到地形复杂的地区。比如赫章特大桥的主墩高度为195 m，也被称为亚洲第一高墩；三河水特大桥的最高主墩为183 m。此类超高墩刚构桥梁一般跨度大，伴随桥址风速变化，横向荷载随之发生变化，桥墩横向刚度较高。但很多施工单位并未对高墩桥梁发生位移的情况展开分析，导致连续刚结构桥墩刚度不足，一旦出现横风，桥梁容易横向移动，导致位移度过大，会降低行车及行人的舒适性[3]。

2 连续刚构桥梁结构的受力特点

在现代桥梁工程中，连续刚构桥梁结构非常常见，包含刚结构及连续桥梁结构，能够保证桥梁处于最佳的受力状态。连续刚构桥梁结构的主梁及桥墩具有独特性，主梁根部跨高为15.7 ～20.6 m，相比同径、同跨桥梁结构，跨中区域的正弯矩小。连续刚构桥梁结构具有特殊性，受力特征与刚结构及桥梁结构类似，桥墩固结在主梁及桥墩结合位置，恒载作用下竖向位移及跨中弯矩相同。若桥墩结构形式较为轻薄，桥墩顶部弯曲指标比同跨径连续梁小，从而有利于减少其中的恒载力。连续刚构桥梁结构具有刚结构及连续桥梁结构的特点，在受力分析中关注混凝土的颜色及温度等，从而整体增强桥梁的受力能力，为建设高质量的桥梁奠定坚实的基础。

3 连续刚构桥梁结构设计及稳定性分析

以我国3 m×150 m 预应力混凝土连续刚构桥梁为例，桥梁跨越黑水滩河，河流内常见分流，河流走向呈现U 型，河床宽度及桥位最高位置为40 m 及280 m。该地区的水流量较大，平均洪水位265 m。对桥梁覆盖系数及全新黏土等展开综合分析，项目整体设计速率控制在80 km/h；针对技术标准进行分析，遵循高速公路设计的基本标准，路基及单幅桥面指标分别为24.5 m、12 m；针对地震反射周期频谱进行研究，保持在0.35 s，地震烈度一般是IV 度。主桥位于直线段，引桥起点到K27+086处于圆缓平曲线段，R=915.014 m，A=428.544。为保证桥梁的整体设计要求，还需要对施工过程进行综合设计，在研究过程中1～4孔选择错位布置方式，而2～8孔采取T 梁结构设计。

3.1 上下部结构设计

针对桥梁建设展开分析，还需要掌握上下部结构的设计方法。第一，主梁结构设计。在设计过程中把握箱梁顶板尺寸及底板尺寸，其指标分别为12 m 及6 m，根部及跨中分别为9 m 及3.3 m，梁底曲线根据相关指数进行调整。在设计腹板厚度时，从50 cm 提升到70 cm；底板厚度则是，从32 cm 过渡到100 cm。第二，调整预应力刚束板。主梁选择三向预应力结构，对实际受力情况展开分析，顶板、腹板及底板钢束分别为15-19型、15-21型、15-17型。中跨合龙及边跨丙班选择15-19 型钢绞线。主梁预应力钢束则选择15-5 型，在工程设计过程中根据实际情况进行选择，保证钢绞线强度合理。20-23 号主墩是双薄空心墩，截面尺寸为3.5 m×8.5 m，根据连续刚桥梁建设需求，对桩基进行合理布设，选择嵌岩桩结构[4]。

3.2 结构有限元分析

对桥梁设计的静力情况进行分析，计算模型共计750 个，单元共计740 个，主梁中含有376个单元，墩中有364个梁单元，结构利用墩底固结，边支座设置弹性连接。在计算荷载的过程中，先计算恒载：一期恒载包括主梁、横梁等，根据实际断面设置为26 kN/m3；根据荷载力变化，二期恒载设置为50 kN/m3。在有限元分析过程中，对公路活载及温度变化进行分析，以获得主梁截面的相关取值范围，在基础变位过程中根据主墩情况展开分析。在风力荷载计算过程中，还需要对运营风活载进行综合处理，结合我国的相关规范，调整运营风桥面荷载风速为25 m/s，并在有限元分析过程中对荷载组合情况进行分析[5]。

3.3 上部结构静力分析

上部箱梁中的斜截面抗裂及主梁刚度应当满足相关规范，采取正截面方法对应力进行计算，针对相关标准计算预应力构件的最大压力，达到18.75 MPa 即可，在计算过程中对主梁阶段的应力进行分析，获得法向最大应力指标为16.58 MPa，满足18.75 Mpa 的设计标准，与设计规范相符。

3.4 主墩施工承载力验算

针对主梁悬臂进行施工，常出现浇筑不均匀情况，加之挂篮脱落问题，容易导致主墩结构不稳定。因此，主墩施工过程中应当关注内部应力状态，风荷载系数保持在0.85，一侧挂篮载重为1000 kN，浇筑质量不均匀的悬臂段重量再乘以1.024，从而获得左下肢下端的内力计算值（如表1）。

表1 最高墩22号墩施工过程中的不利情况

3.5 稳定性分析

第一，成桥稳定性分析。对建设的桥梁稳定性展开研究，对活载模型进行统计，并计算活载稳定性，根据结果对最小系数进行分析，最终结果为18.71。第二，施工阶段稳定性分析。在桥梁建设过程中，应当关注桥梁建设的稳定性，一侧挂篮若不平衡，结构稳定性会受到影响。

4 结语

在连续刚构桥梁结构设计过程中，容易发生梁开裂及桥墩刚度不足问题，设计过程中应当采取有效的应对措施，可采取优化上部结构及合理设置预应力钢束等方法。在桥梁施工过程中也要关注结构设计的合理性及稳定性，从而保证桥梁的整体耐久性满足要求。