连续刚构墩顶0号块应力分析

摘要：根据圣维南原理，利用Midas FEA软件建立连续刚构墩顶0号块空间分析模型，进行空间应力分析。文章结合具体工程实例，通过分析最大悬臂状态及成桥状态下的主拉应力及主压应力来总结0号块在不同状态下的应力分布规律，提出了0号块设计与施工过程中的一些建议，为以后类似桥梁的设计提供一些参考。

[作者简介]龚健根（1987—），男，硕士，工程师，主要从事桥梁设计工作。

连续刚构桥又称为墩、梁固结的连续梁桥。既有T型刚构桥的特点，又具有连续梁桥的优点，因此，在工程中得到了广泛的应用[1]。在实际施工中大多采用悬臂浇筑施工，即在主墩墩顶搭设临时支架，现浇墩顶0号块并完成该节段相应的施工，然后在0号块两侧安装挂篮对称浇筑下一节段混凝土。因此，墩顶0号块对整座桥梁来说是十分关键的构件，但是，因为连续刚构桥为高次超静定结构受力十分复杂，同时由于0号块在施工初期就开始受力且空间结构十分复杂，各部分的应力分布不均匀，为保证其质量与结構的安全，本文结合鹿寨-钦州港公路（鹿寨至鱼峰段）高速公路施工图项目中某一座桥梁，对0号块进行最大悬臂状态及成桥状态的空间应力分析，提出了0号块设计与施工过程中的一些建议，为以后类似桥梁的设计提供一些参考。

1 工程概况

本桥于柳州市鹿寨县江口乡宝塔村青洲河段跨越柳江，依次经过柳江主航道、青洲、龙河洲等滩涂。桥址上距洛清江河口约1.8 km、红花水利枢纽约22.2 km，下距大藤峡水利枢纽约191 km。桥址处在大藤峡水利枢纽回水变动区柳江锁匙筒滩上，通航孔布置在锁匙筒滩现行航道（左汊）。

柳江特大桥起点桩号K19+009.368，终点桩号K20+684.368，主桥采用（256+64+56+146） m独塔双索面混合梁-组合梁斜拉桥，2座主要引桥采用（45+80+45） m连续刚构，其余引桥采用预制梁。刚构桥采用分幅设计，单幅桥桥面构成为0.5 m护栏+11.75 m净桥宽+0.5 m护栏=12.75 m，下部结构采用单肢空心薄壁墩。

2 构造尺寸及钢束

2.1 构造尺寸

主墩墩顶上部梁高5.2 m，合龙段梁高2.5 m，箱梁顶板厚度0.3 m，跨中底板厚0.32 m，上部梁高和底板厚度均按2.0次抛物线渐变。箱梁腹板厚度1～4号梁段采用0.75 m， 5号梁段由0.75 m直线渐变到0.55 m，渐变段长度4 m，6～10号梁段采用0.55 m。0号块采用实心，主墩采用空心薄壁墩。在边跨端横梁上设置一0.8 m×0.8 m的检修预留孔。箱梁顶宽12.75 m，底宽7.05 m，顶板悬臂长度2.85 m，悬臂板端部厚0.2 m，根部厚0.75 m。箱梁顶横坡同路线横坡，底板水平，通过腹板高差调整。箱梁浇筑分段长度依次为10.0 m长0号段+4×3.5 m+5×4.0 m，边、中跨合龙段长均采用2.0 m，边跨现浇段长4.0 m。主墩箱型截面，横桥向宽7.05 m，顺桥向宽3.0 m，墩顶底分别设置2.0 m实心段，墩上部分壁厚0.5 cm，墩下部分壁厚0.8 cm，墩高40 m左右。基础采用3.5 m承台加4根1.8 m桩基础的形式。横截面尺寸及悬浇节段划分示意如图1～图3所示。

2.2 钢束

预应力钢束采用情况详见表1、表2。

3 模型建立及有限元分析

3.1 连续刚构全桥模型

连续刚构全桥模型见图4。

（1）节点数量：115个。

（2）单元数量：112个。

（3）边界条件数量：7个。

（4）施工阶段数量：37个。

3.2 荷载工况及荷载组合

（1）自重。自重系数：-1.04。

（2）整体升降温。

①整体升温，25.0 ℃;②整体降温，-25.0 ℃。

（3）徐变收缩。收缩龄期：3 650 d。

（4）支座沉降。主墩取10 mm沉降量，交接墩取5 mm沉降量。

（5）可变荷载。活载：汽车荷载，桥梁等级为公路Ⅰ级。

冲击系数μ可按式计算：当f<1.5 Hz时，μ=0.05;当1.5 Hz≤f≤14 Hz时，μ=0.1767ln（f）-0.0157;当f>14 Hz时，μ=0.45;

根据规范，计算的结构基频f=1.47 Hz，冲击系数μ =0.050。

（6）二期恒载。包括桥面铺装10 cm沥青，两边护栏，二期恒载取50.6 kN/m。

（7）制动力。工程结构龚健根： 连续刚构墩顶0号块应力分析

按规范计算，其值为2.6 kN/m。

（8）风荷载。按JTG/TD 60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》，主体计算时纵风荷载为主墩（7.4 kN/m）、梁体（1.6 kN/m），均按梯度加载。横向计算时横风荷载为主墩（3.6 kN/m）、梁体（8.1 kN/m），均按梯度加载。

（9）荷载组合。Civil Designer按规范自动组合。

3.3 箱梁0号块结构模型

利用Midas FEA软件建立0号块空间分析模型，根据圣维南原理：墩顶0号块的空间应力状态只与其附近范围内的应力状态有关，远离结构的区域的应力状态对其影响可以忽略不计。本次建立的模型包含了0号块和0号块相邻梁段。实体模型如图5所示。

根据0号块结构尺寸，实体网格划分单元尺寸为0.5 m，预应力钢束网格划分单元尺寸为1.0 m（图6、图7）。

4 应力分析

利用Midas FEA软件建立0号块空间分析模型，就可以计算出实体模型中任意单元和节点的应力大小，本文通过最大悬臂状态及成桥状态下的主拉应力及主压应力来分析0号块在不同状态下的应力分布。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

4.1 最大懸臂状态应力分析

由图8可知，最大悬臂状态下0号块主压应力值在-10.33～0.03 MPa之间（拉正压负），0号块以受压为主，只有在横隔板端部出现拉应力，最大拉应力为0.03 MPa，最大压应力值10.33 MPa<0.7f′ck=20.328 MPa，满足规范要求。

由图9可知，最大悬臂状态下0号块主拉应力值在-2.39～0.64 MPa之间（拉正压负），拉应力最大值0.64 MPa<1.15f′tk=2.58 MPa，满足规范要求。

4.2 成桥状态应力分析

由图10可知，成桥状态下0号块主压应力值在-23.27～0.07 MPa之间（拉正压负），由于-23.27 MPa区域只占了0.3 %，可忽略。0号块以受压为主，主要在横隔板出现拉应力，最大拉应力为0.07 MPa，有效最大压应力14.5 MPa<0.5fck=17.75 MPa，，满足规范要求。

由图11可知，成桥状态下0号块主拉应力值在-5.43～1.13 MPa之间（拉正压负），拉应力最大值1.13 MPa小于C55混凝土抗拉强度设计值1.89 MPa，满足规范要求。

5 结束语

利用Midas FEA软件建立0号块空间分析模型，就可以得到实体单元的应力分布规律，得出结论：

（1）连续刚构墩顶0号块构造复杂，且处于三向预应力作用下，应力分布规律较复杂，进行空间应力分析十分必要[2]。

（2）顶板主要处于压应力作用下，分布规律是四周应力大、中部应力小，横隔板与顶板相接处存在应力集中[3]。本桥顶板压应力程度较低，不控制设计。

（3）最大悬臂状态下0号块以受压为主，只有在横隔板端部出现拉应力，但最大拉应力均满足规范要求。

（4）成桥状态下0号块以受压为主，主要在横隔板出现拉应力，但最大拉应力均满足规范要求。

（5）箱梁截面在横隔板附近截面发生突变，容易造成应力集中，甚至出现混凝土被拉裂现象。设计及施工过程中建议采用以下措施：截面尺寸发生变化处，设置过渡段;容易产生应力集中处设置钢筋网;优化墩顶钢束配置或增设抗拉主筋;施工中采用分段分次浇筑混凝土并采取降温措施，使0号块得到充分养护，减小温度应力，同时保证0号块在受外力时混凝土强度达到规范要求。

参考文献

[1] 刘效尧， 徐岳. 公路桥涵设计手册：梁桥（第2版）[M].北京：人民交通出版社， 2011.

[2] 宫玉明. 连续刚构桥0号块空间应力分析[J].公路交通科技， 2016， 33（6）：83-87，94.

[3] 吕全金. 连续刚构箱梁0号块应力分析[J].工程技术， 2016， （9）：76-77.E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A