连续刚构桥的墩柱结构形式比选探究

李孟博

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

连续刚构桥因具有跨度大、整体性好等特点，已在我国中、小跨径桥梁工程中广泛应用[1]。桥墩作为桥梁主要承重结构，合理地设计更有助于保障桥梁整体安全性。因此，深入研究连续刚构桥桥墩设计参数具有重要意义[2]。近年来，国内外学者关于桥墩设计问题展开了大量研究，如桂水荣等[3]探讨了桥墩高度和形式对连续刚构桥施工阶段、运营阶段桥梁力学性能的影响规律。冯晴[4]从主墩、边墩方案优化及静力、抗震设计考虑，研究山区铁路的高墩大跨连续刚构的施工方案，发现悬灌浇筑的施工方案最为合理。以上研究主要集中在桥墩结构参数的设计优化，而关于桥墩结构形式的对比研究还相对较少。鉴于此，本文选取了两种墩柱结构形式，针对连续刚构桥的变形、受力及稳定性变化规律进行比较分析，以期为类似桥墩的设计与施工提供参考。

1 工程概况

某连续刚构桥跨径布置为70m+118m+70m，总长258m，单幅桥面宽9.5m，车道设计为双向四车道。主桥上部结构主梁采用单箱单室变截面，墩顶梁高7.8m，跨中梁高2.8m，悬挑翼缘宽2m，下部结构桥墩采用双肢薄壁墩，截面尺寸为2m×7.5m，桩基础采用现浇灌注桩。桥梁立面布置如图1所示。

图1 桥梁立面图

2 建立模型

运用有限元软件MIDAS/CIVIL建立连续刚构桥基础分析模型，模型中主梁、主墩均采用梁单元模拟，全桥共包含162个单元和176个节点。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，对6个方向的自由度进行约束，主墩墩顶和主梁节点采用弹性连接中的刚性连接，对主墩底部进行固定约束，边墩采用纵向活动约束。荷载作用主要考虑恒载、活载、温度荷载、不均匀沉降和收缩徐变作用。双肢薄壁墩建模截面尺寸取2m×7.5m，顺桥向壁厚60cm，横桥向壁厚100cm，墩中心间距6.8m。箱型墩建模截面尺寸取6m×7m，顺桥向壁厚100cm，横桥向壁厚100cm，墩底段2m范围内采用实心截面，中间采用空心截面。桥梁有限元模型如图2所示。

图2 桥梁有限元模型

3 结果与分析

3.1 变形分析

不同墩柱结构形式的连续刚构桥主梁位移变化曲线如图3所示。

由图3可知，采用两种墩柱结构形式的连续刚构桥主梁位移变化曲线基本相似，其中采用双肢薄壁墩的连续刚构桥主梁最大位移为24.8mm，采用箱型墩的连续刚构桥主梁最大位移为25.1mm，两者相差仅0.3mm，由此说明两种墩柱结构形式对连续刚构桥产生的变形量相差不大，且均可满足桥梁变形设计要求。

图3 主梁位移变化曲线

3.2 受力分析

不同墩柱结构形式的连续刚构桥主梁弯矩变化曲线如图4所示。

图4 主梁弯矩变化曲线

根据图4可知，采用两种墩柱结构形式的连续刚构桥主梁弯矩存在一定差异，其中主梁墩顶截面弯矩值差异较为显著，边、中跨截面弯矩值差异相对较小，说明墩柱结构形式会对桥梁受力产生影响。采用双肢薄壁墩和箱型墩的主梁边跨最大弯矩值分别为7230kN·m和6210kN·m，两者相差约1020kN·m，双肢薄壁墩的弯矩值较大；采用双肢薄壁墩和箱型墩的主梁中跨最大弯矩值分别为7104kN·m和7321kN·m，两者差值不大，基本忽略不计；采用双肢薄壁墩和箱型墩的主梁墩顶最大弯矩值分别为53811kN·m和57506kN·m，两者相差约3695kN·m，箱型墩的弯矩值明显较大。由此可知双肢薄壁墩虽然主梁边跨受力大于箱型墩，但双肢薄壁墩墩顶截面的受力要远远小于箱型墩，两种墩柱结构形式均可满足桥梁受力要求，其中双肢薄壁墩对于改善桥梁受力分布效果更为显著。

3.3 稳定性分析

不同墩柱结构形式的连续刚构桥稳定系数变化曲线如图5所示。

图5 桥梁稳定系数变化曲线

根据图5可知，在不同施工阶段，采用两种墩柱结构形式桥梁的稳定系数存在较大差异，且成桥阶段的桥梁稳定系数要远远大于施工阶段的稳定系数，说明不同墩柱结构形式会对桥梁的稳定性产生影响。在施工阶段，采用双肢薄壁墩和箱型墩的桥梁最大稳定系数分别为15.7和22.3，两者相差较大，箱型墩桥梁的稳定系数高了近29.6%。在成桥阶段，采用双肢薄壁墩和箱型墩的桥梁最大稳定系数分别为41.9和52.7，两者相差较大，箱型墩桥梁的稳定系数高了约20.5%。综合来看，两种墩柱结构形式均可满足桥梁稳定性要求，但在不同施工阶段，双肢薄壁墩桥梁的稳定系数均要小于箱型墩桥梁，说明采用箱型墩结构更有利于保障桥梁的整体安全稳定性。

4 结束语

综上所述，双肢薄壁墩和箱型墩结构均可满足桥梁变形设计要求，且两者对连续刚构桥产生的变形量基本一致，影响不大。对于受力而言，双肢薄壁墩虽然主梁边跨受力大于箱型墩，但墩顶截面的受力要远远小于箱型墩，说明双肢薄壁墩对于改善桥梁墩顶受力效果的作用要优于箱型墩。在不同施工阶段，箱型墩桥梁的稳定系数整体要高于双肢薄壁墩桥梁，说明对于保障桥梁的整体安全稳定性而言，箱型墩结构形式效果更为显著。不同墩柱结构形式具有不同改善效果，因此在实际施工中应根据连续刚构桥的施工要求进行设计和选择。