单“T”型连续刚构桥矮墩截面形式对结构受力的影响分析

李文治 廖然

连续刚构是将“T”型刚构和连续梁结合在一起的结构体系，该体系主墩底部所承受的弯矩、主梁梁体内的轴力随着墩高的增加而减小，即连续刚构体系的受力特性与主墩的抗推刚度密切相关。所以，该类型结构常见于墩高较高的桥梁中。由于某些工程存在特殊情况，在墩高较矮的情况下，又需要采用连续刚构的桥型形式，因此，对矮墩连续刚构桥的受力特点进行分析有着重要的意义。

国内对于连续刚构桥，在墩身较矮的情况下如何减小顺桥向抗推刚度进行了一些研究。区别于普通的连续刚构，本文所研究的单“T”型刚构可以看做连续刚构的一半。通过对单“T”型连续刚构的不同形式的矮墩结构受力进行分析和探讨，可以为往后类似桥梁提供参考。

一、工程概况

浙江省温州市某工程桥梁上跨溧宁高速公路，单幅桥宽16.75m。根据溧宁高速现状路基宽度25.5m，并考虑远期拓宽至41m（双向八车道）需要，同时溧宁高速一侧为高边坡。为减小对高速公路运营的影响，本桥采用70m+70m单“T”型连续刚构。

主梁采用C55混凝土，采用单箱双室箱梁，箱梁根部支点处梁高6.3m，边跨支点处梁高2.4m，梁底曲线为1.8次抛物线。箱梁顶板宽度16.75m，底板宽11.55m，悬臂长度2.6m。

主墩墩高14.234m，墩身采用双肢薄壁墩，双肢间距6m，墩身尺寸横向宽同箱梁底板为11.55m，纵向一个薄壁墩宽1.5m，顺桥向墩顶设置50×100cm倒角。

二、矮墩连续刚构桥主墩形式的研究

连续刚构桥梁其主墩的刚度直接影响主梁墩顶的受力情况。因此，根据以往的工程经验，为适应结构由预加力、混凝土收缩徐变和温度变化所引起的纵向位移，减小水平位移在墩中产生的弯矩，连续刚构桥墩身设计应在满足抗压和稳定的条件下，尽量减小墩身抗推刚度。影响刚度的参数主要有2个：一是墩身高h，二是墩身截面惯性矩I。其中，墩身高h对刚度的影响最为明显。

本案例桥梁由于条件的受限，无法通过墩身的高度来减小刚度，因此，减小墩身截面惯性矩I值是改善桥墩刚度的最好措施。同时，桥墩的强度与其自身的抗弯刚度息息相关，抗弯刚度与截面惯性矩I值成正比。因此，桥墩设计时如何平衡抗弯刚度与抗推刚度成为研究的主要目的。

本文在其他外部因素相同的情况下，选择实心矩形单墩、空心薄壁墩和双肢薄壁墩3类截面形式进行对比研究，同时针对双肢薄壁墩，采用4m、5m、6m这3种不同间距的墩身分析截面的性能。具体墩身截面见图1。

图1 三类主墩截面（单位：cm）

1. 不同桥墩顺桥向抗弯刚度的对比

由于桥墩的抗弯能力与其截面的惯性矩成正比，因此，只要对比惯性矩的大小，即可得知各类型桥墩的抗弯能力。

当主墩为实心矩形单墩截面时，其顺桥向惯性矩为：

当主墩为空心薄壁墩截面时，其顺桥向惯性矩为：

当主墩为双肢薄壁墩截面时，其顺桥向惯性矩为：

式（1）—（3）中：B为墩身横桥向宽度；H为墩身顺桥向宽度；b为空心墩内腔横向宽度；d为双肢薄壁墩墩身间距。

将各墩参数代入公式计算得到：

表1 不同桥墩顺桥向惯性矩对比

空心薄壁墩和双肢薄壁墩截面积与实心矩形墩相比下降了44.4%和60%，但其抗弯刚度仅分别下降了16%和47%。而对于双肢薄壁墩，墩间距越大抗弯刚度越大。由此可见，空心薄壁墩和较大间距的双肢薄壁墩均能较好地抵抗施工过程中的不平衡弯矩。

2. 不同桥墩顺桥向抗推刚度的对比

根据顺桥向抗推刚度公式：

表2 不同桥墩顺桥向抗推刚度对比

由上表可以看出，空心薄壁墩的抗推刚度与实心矩形单墩相差不大，而双肢薄壁墩抗推刚度仅为实心矩形单墩的1.6%。作为矮墩连续刚构桥，显然双肢薄壁墩能更好的适应由主梁受温度和收缩徐变引起的次内力。

三、不同形式主墩对桥梁结构受力的影响

1. 模型的建立

利用有限元软件Midas Civil（2020）建立桥梁模型，对桥梁结构受力进行分析。全桥共划分为74个单元，81个节点。结构离散图（主墩采用双肢薄壁墩）如下图2所示。

图2 桥梁有限元模型

本桥1#桥墩承台置于中风化层，地质条件较好，认为不考虑桩土效应是偏安全的，因此在墩底设置固结，其余参数按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）取值。

2. 对主梁受力的影响

桥墩形式不同主要对墩顶主梁的内力有一定影响，其次双肢墩的间距大小导致主梁计算跨径发生变化，因此对主梁跨中受力也有影响。本文通过不同桥墩形式对比在承载能力极限状态基本组合作用下，下主梁弯矩以及正常使用极限状态频遇组合作用下的顶底应力，分析桥墩形式对主梁受力的影响，计算结果见表3。

表3 主墩截面形式对主梁的影响

由表3可以看出，⑤号截面与①、②号截面对比由于其截面墩身刚度小，能够有效传递墩顶负弯矩，因此，墩顶弯矩较①、②号截面小。⑤号截面对比③、④号截面，由于其墩身间距大，导致主梁计算跨径变小，因此，其弯矩也较③、④号截面小。而对于支点处顶底缘应力，由于两侧对称并只有一个桥墩，因此，其大小主要由主梁的截面和预应力控制，墩身截面的变化对其影响很小。

3. 主墩自身受力的情况

对于单“T”型连续刚构桥，在没有水平荷载作用下，如果桥墩采用单墩形式，预加力、混凝土收缩徐变和温度变化对主墩的内力影响较小，桥墩弯矩主要由梁扭转产生，因此，分析主墩受力时应对双墩和单墩进行区分。通过表4在承载能力极限状态基本组合作用下，对比不同墩身截面对主墩轴力和弯矩的影响。

表4 主墩截面形式对主墩受力的影响

①、②号截面均为单墩形式，①号截面其墩身产生弯矩相对②号截面大了3.6%，这点从侧面反应出不同墩身截面抗弯刚度对弯矩的影响。而墩身轴力主要由于①号截面面积比②号截面大，因此轴力有所不同。

③、④、⑤号截面双肢墩间距变大，墩身弯矩按约7%的增量逐渐增大，而墩身轴力按约1.2%递减。由于双肢墩间距越大，其抗弯刚度越大，因此在相同受力情况下其弯矩也越大，轴力则与弯矩成反比。

由于桥梁墩高较矮，上部主梁采用挂篮悬臂浇筑施工时，施工和成桥运营阶段失稳的风险均较小。经验算，采用⑤号截面时，在成桥、最大双悬臂、裸墩（+0#块）状态下弹性屈曲的结构稳定安全系数富余量很大，而其余截面在相同受力的情况下稳定安全系数均大于⑤号截面，因此本文不再赘述桥墩稳定性的分析。

四、结语

本文以某工程70m+70m连续刚构桥梁为背景，利用Midas Civil（2020）软件建立空间有限元模型，在上部结构和外荷载不变的情况下，对不同类型的桥墩截面进行空间受力分析对比，并得出以下结论：

（1）对于单“T”型连续刚构矮墩桥梁，双肢截面能够有效减小主墩的刚度，有利于优化主墩的受力。

（2）墩身截面的刚度对主梁弯矩有一定影响，但对主梁的应力影响较小，同时可以通过加大双肢墩间距，优化主梁墩顶处的受力。

（3）单“T”型连续刚构桥梁，其由预加力、混凝土收缩徐变和温度变化所引起的次内力对主墩影响较小，因此主墩形式的变化对主梁应力影响较小，这点区别于3孔连续刚构桥梁。

（4）主墩的刚度与墩身弯矩成正比，与墩身轴力成反比。