桥墩高差对三跨连续刚构桥受力及变形影响研究*

宫大辉

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

0 引言

近年来，随着我国桥梁工程的高速发展，不同类型的桥梁不断涌现[1]。连续刚构桥因具有施工难度小、工程造价低及工期短等优点，逐渐在桥梁建设中得到广泛应用。由于我国地理条件复杂，部分地区地势高低起伏较大，该地区连续刚构桥修建一般设计为高低墩形式，但高低墩结构刚度的不对称会对桥梁产生不同的受力形态，进而影响截面尺寸变化，因此深入研究高低墩刚构桥受力及变形具有重要意义[2]。目前，国内外关于桥墩设计对桥梁结构的影响展开了大量研究[3-4]，如杨强等[5]通过分离式桥墩间横系梁设置及墩高参数分析，开展了桥梁动力特性、静风作用下的静位移及脉动风作用下抖振响应研究。董学绸[6]对纵桥向水平力作用下侧陡地形柱式排架桥墩的受力进行了分析，认为设计中必须考虑排架桥墩水平力分配的影响。朱虎勇等[7]分析了墩高受限时装配式组合连续刚构桥墩梁固结构造及性能，与传统的墩梁固结方式相比，该构造可明显降低墩底拉应力，优化墩高受限时钢桁-混凝土组合连续刚构桥桥墩受力性能。王旭等[8]以西部山区具有不等高桥墩的典型连续梁桥为研究对象，在桥梁的关键部位设置限位墩，通过有限元分析手段对桥梁的整体抗纵向地震作用进行了研究。由于不同地区地形和地质条件具有差异性，因此连续刚构桥桥墩布置形式不同，以上研究主要是从桥墩类型、设计参数等方面进行受力、抗震性能分析，而关于桥墩高差对连续刚构桥受力及变形的分析较少，基于此，本文借助有限元软件模拟分析不同桥梁跨度下不同桥墩高差对连续刚构桥受力及变形的影响规律，为以后桥梁工程桥墩设计与施工提出相关建议。

1 工程概况

拱北湾大桥是港珠澳大桥珠海连接线重要组成部分，连接珠澳口岸人工岛,双向6车道，设计时速80km，全长约900m，位于珠海市拱北口岸，毗邻澳门；起点位于拱北湾海域珠澳口岸人工岛；终点位于珠海连接线人工岛；主要包括主桥及A，B，C，D，E，F 6条匝道和2座桥台，F匝道桥梁跨径布置为(43+ 58 + 44)m，桥宽12m，路面铺装采用沥青混凝土。上部结构中主梁采用单箱单室截面预应力混凝土箱梁，梁高由主墩处5.8m呈二次抛物线变化至跨中处2.6m，顶板厚度逐渐由主墩处25cm变化至跨中处40cm，底板和腹板厚度逐渐由50cm变化至70cm。下部结构主墩采用双柱式矩形截面双薄壁墩，截面尺寸为1.8m×3.5m，薄壁墩间距为5.2m。桥墩研究对象分别是2，3号主桥墩，2号主墩高10m，3号主墩高20m。桥墩采用直径2m的嵌岩桩基础。桥梁立面布置及箱梁截面如图1所示。

图1 桥梁结构示意(单位：cm)

2 模型建立

2.1 有限元模型

以原桥设计参数为依据，运用有限元软件MIDAS/Civil建立连续刚构桥计算模型，全桥共包含结点126个、单元107个。采用梁单元模拟主梁和双薄壁墩结构，采用边界条件模拟下部结构中的桩基、支座等结构。计算模型中不考虑桩土作用，主梁梁端和主墩墩顶采用一般支撑，主墩墩顶和主梁节点采用弹性连接中的刚性连接，0～3号墩考虑沉降位移采用纵向活动约束，约束水平方向位移。全桥有限元模型如图2所示。

图2 连续刚构桥有限元模型

2.2 荷载作用

恒载作用主要考虑主梁C50混凝土自重约26N/m3+路面结构和铺装等约44N/m3+预应力作用；温度作用按整体升降温22℃考虑；不均匀沉降取值-5mm；收缩徐变、汽车荷载(一级汽车荷载)根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[9]要求取值，荷载组合分析按基本组合(永久作用+汽车(公路-Ⅰ级)作用+温度效应)。

2.3 材料参数

桥梁上部结构主要采用悬臂浇筑法施工，主梁结构材料主要采用C50混凝土，预应力钢绞线采用φ15.2、标准强度1 860MPa 高强度低松弛钢绞线。下部结构采用滑模和爬模的施工方式，桥墩结构材料主要采用C50混凝土，采用HRB335普通钢筋，桥台和桩基础结构材料均采用C40混凝土，主要材料特性如表1所示。

表1 主要材料特性

3 计算结果分析

为研究主墩中2，3号主墩高差对连续刚构桥受力和变形的影响，有限元模型中保持2号主墩墩高10m不变，3号主墩以每10m为一级由20m逐步增至70m，其极限承载力符合桥墩要求，对比分析不同桥墩高差时2，3号墩弯矩、剪力、应力及位移变化规律。

3.1 桥墩高差对截面力学性能影响

为研究桥墩高度变化对其力学性能影响，保持其他参数不变，选取不同桥墩高度进行数值计算，研究截面力学性能与桥墩高度变化间的关系。选择高25m 0号桥墩为研究对象，分别计算分析其高差为5，10，15，20m下各施工阶段控制截面应力，其计算结果如图3所示。由图3可知，不同高度桥墩下的控制截面应力在不同施工阶段下的应力变化特征基本相同。在6～17施工阶段，随着桥墩高度的增加，控制截面应力随之增加，墩高每增加5m时，其控制截面压应力增加0.4MPa左右。

图3 各施工阶段控制截面应力随墩高差变化曲线

由图4可知，随着桥墩高差的不断增加，桥墩顶部横梁跨中截面应力在5～9及13～18施工阶段变化较明显。当处于5～9施工阶段时，墩高差每增加5m，墩顶横梁的跨中截面应力增加约0.05MPa；当处于13～18施工阶段时，墩高差每增加5m，横梁跨中截面应力减小约0.1MPa；当完成施工处于成桥阶段时，横梁跨中截面应力随桥墩高差的增加而减小，此时墩高差在5～20m时，横梁跨中截面应力变化0.02MPa，当成桥时主墩高差在小范围内的变化对横梁跨中截面应力影响较小。

图4 各施工阶段横梁跨中截面应力随墩高差变化曲线

3.2 桥墩高差对桥墩弯矩影响

运用有限元软件建立三跨连续刚构桥不同主墩高差计算模型，针对主墩高差分别为10，20，30，40，50，60m的2，3号主墩墩顶和墩底弯矩变化情况进行对比分析，得到桥墩弯矩变化曲线，如图5所示。

图5 2，3号主墩墩顶和墩底弯矩随桥墩高差变化曲线

由图5可知，随着2个主墩高差的增大，2号主墩墩顶弯矩呈先减小，在45m变为0后，弯矩方向改变；1号主墩墩底变化规律与其墩顶变化规律相同。3号主墩墩顶、墩底弯矩均要明显大于2号主墩，其墩顶、墩底弯矩均随着高差的增加而降低。在桥墩高差由10m增至30m过程中，2，3号主墩弯矩减小幅度较大，高、低墩间的弯矩差值较小；当桥墩高差>30m后，2，3号主墩弯矩减小幅度开始变缓，高、低墩间的弯矩差值开始逐渐增大。由此可知，当桥墩高差<30m时，高、低墩间的弯矩差值较小，刚构桥高、低墩间受力分配相对合理；而高、低墩高差>30m后会增大桥墩间所受的弯矩差值，导致刚构桥桥墩间受力不均，不利于连续刚构桥整体受力。因此，在设计连续刚构桥时应尽可能地减小桥墩高差，以避免桥梁受力出现较大差距。

3.3 桥墩高差对桥墩剪力影响

对三跨连续刚构桥而言，研究桥墩高差对主墩剪力影响时，从三跨连续刚构桥计算模型中提取2，3号主墩的剪力，针对不同桥墩高差的2，3号主墩剪力变化情况进行对比分析，桥墩剪力变化曲线如图6所示。

图6 2，3号主墩剪力随桥墩高差变化曲线

由图6可知，随着2，3号主墩间高差的增大，2号主墩的剪力值先减小，在高差为50m时变为0，最后剪应力方向改变并增加，3号主墩剪力值呈不断减小的变化趋势。高、低墩高差在10～50m时，2，3号主墩受到的剪力作用方向相反，当2个墩高差>50m后，2，3号主墩受到的剪力作用方向相同。桥敦高差由10m增至30m时，2，3号主墩受到的剪力减小明显；当高差>30m后，2个主墩受到剪力的变化较小，说明高、低墩高差变化对桥墩受到的剪力作用影响较大。由于2号主墩在高差>50m后，受到的剪力作用方向发生改变，对于连续刚构桥桥墩受力而言不允许出现，因此根据桥梁设计特点，以及高、低墩高差对桥墩剪力作用的影响，连续刚构桥高、低墩高差控制在50m以内对桥墩合理受力最有利。

3.4 桥墩高差对桥墩应力影响

研究三跨连续刚构桥桥墩高差对桥墩应力的影响时，从连续刚构桥计算模型中提取2，3号主墩的桥墩应力，得到桥墩应力变化曲线，如图7所示。

图7 2，3号主墩应力随桥墩高差变化曲线

由图7可知，3号主墩墩顶和墩底应力均随着桥墩高差的增大而减小。2号主墩墩顶和墩底应力呈U形，即先减小后增大，在40m处达到最小值。当桥墩高差由10m增至40m时，2，3号主墩墩顶和墩底应力均呈减小趋势，高、低墩受力变化趋势一致，桥梁整体性能较好；当桥墩高差>40m后，3号主墩墩顶和墩底应力依然呈减小趋势，但2号主墩墩顶和墩底应力开始呈较小增大趋势，说明桥梁整体受力一致性情况发生改变。因此，为保证连续刚构桥桥墩受到的压应力作用相对平衡，将高、低墩的高差控制在40m以内较适宜。

3.5 桥墩高差对桥墩位移影响

研究三跨连续刚构桥桥墩高差对桥墩位移的影响时，从连续刚构桥计算模型中提取2，3号主墩的墩顶位移，得到墩顶位移变化曲线，如图8所示。

图8 2，3号主墩墩顶位移随桥墩高差变化曲线

由图8可知，随着高、低墩高差的增大，2号主墩墩顶位移在高差10～30m时逐渐减小，当高差>30m后，墩顶位移达到稳定不再随桥墩高差的变化而改变；高差在10～50m时，3号主墩墩顶位移随着高、低墩高差的增大而不断增大；当高差>50m后，墩顶位移基本一致，不再随桥墩高差的变化而改变。对于多跨连续刚构桥，主梁及墩顶水平位移主要取决于温度梯度、车辆制动力、混凝土收缩徐变，当水平位移过大时主梁与墩顶连接处位移差值较大对车辆行驶产生不利影响，墩水平位移与高度成反比，墩高过高对主梁受力也有不利影响。因此，综合高、低墩位移变化情况来看，将桥墩高差控制在30m以内更有利于三跨连续刚构桥变形控制，减少相关施工措施和降低设计难度。

3.6 不同跨度三跨连续刚构桥受力分析

三跨连续刚构桥设计跨径一般为75～270m，为验证不同桥梁跨度下结构受力特点，分别选取国内较有代表性的三跨连续刚构桥进行计算，其主跨跨度分别为135，190，240，270m，其截面尺寸和基本参数为：①津市澧水大桥(88+135+88)m，箱梁高8～3m；②华南大桥(110+190+110)m，箱梁高9.5～3m；③重庆高家花园嘉陵江大桥(140+240+140)m，箱梁高13.5～3.5m；④虎门大桥辅航道桥(150+270+150)m， 箱梁高14.8～5.0m。计算得到其受力规律与主跨75m的连续刚构桥相似，并统计桥墩应力、墩身弯矩差值最小、墩身剪力不发生反向、低墩墩顶挠度变小至趋于平缓时的墩身高差，如表2所示。

表2 控制条件下的墩身高差统计 m

由表2和图9可知，随三跨连续梁跨径的增加，其墩身应力、弯矩差、剪力、墩顶挠度波动范围分别为39～45kN/m2，28～36kN·m，46～51kN，30～36mm；如果考虑每米跨径各因素增加的百分比，则各因素增加百分比为0.077%，0.142 5%，0.054%，0.1%，增加幅度几乎可不计入安全影响系数中，由图9总体上看，三跨连续刚构桥墩身应力、弯矩差、墩顶挠度随跨径的增加线性增加，跨径对其剪力影响不大。

图9 不同跨度三跨连续刚构桥受力结果分析

4 结语

以拱北湾大桥三跨连续刚构桥为研究对象，运用有限元软件建立桥梁计算模型，针对不同主墩高差对刚构桥桥墩受力及变形的影响展开对比分析，同时选取国内较有代表性的不同跨度的连续刚构桥进行分析，得到以下主要结论。

1)对于三跨连续刚构桥而言，随着高、低墩高差的增大，桥墩的受力状态如弯矩、剪力、应力整体均呈减小趋势。

2)随着桥墩高差的增大，2号主墩剪力值先减小后增大，3号主墩剪力值呈不断下降趋势。桥墩高差由10m增至30m时，2，3号主墩受到的剪力减小明显；当高差>30m后，2个主墩受到的剪力变化较小，50m后2号主桥墩剪力发生改变。

3)随着桥墩高差的增大，墩顶弯矩呈先减小至0后弯矩方向改变，在桥墩高差由10m增至30m时，2，3号主墩弯矩减小幅度较大，高、低墩间的弯矩差值较小，当桥墩高差>45m时弯矩方向改变。

4)3号主墩墩顶和墩底应力均随着桥墩高差的增大而减小。2号主墩墩顶和墩底应力先减小后增大；1号主墩墩顶位移在桥墩高差10～30m时逐渐减小，当高差>30m后，墩顶位移达到稳定，不再随桥墩高差的变化而改变。