文明貢,徐 江,向國興,歐 波
(1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550002;2.貴州省喀斯特地區(qū)水資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽 550002;3.武漢大學(xué)水電學(xué)院,湖北 武漢 430070)
河溝頭渡槽位于貴州省六枝特區(qū)龍場(chǎng)鄉(xiāng)迎新村,設(shè)計(jì)流量19.849m3/s,加大流量23.459m3/s,是黔中水利樞紐一期工程總干渠上的一座關(guān)鍵建筑物。主槽采用(80.55+2×150+80.55=461.1)m連續(xù)剛構(gòu)渡槽跨越一深切寬緩峽谷,槽跨布置見圖1。
渡槽上部箱梁采用單箱箱梁與上、下兩箱箱梁組合的變箱變截面箱梁結(jié)構(gòu)[1],水體從箱梁內(nèi)部通過。箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),箱梁頂板寬9.5m,底板寬5.5~6.5m,過水?dāng)嗝鏅M向?qū)挾?.25m。上部箱梁0號(hào)梁段墩身范圍內(nèi)梁高11.5m,合攏段梁高4.6m,其間梁底下緣曲線按1.5次方拋物線變化。渡槽由進(jìn)口至出口依次設(shè)置GG1#(高60m)、GG2#(高81m)、GG3#(高58m)主墩,在兩端設(shè)置5#、6#空心薄壁獨(dú)墩。GG1#、GG3#槽墩采用雙肢薄壁空心墩,縱槽向?yàn)?.5m,橫槽向?yàn)?m,縱向壁厚0.7m,橫向壁厚1.4m,兩肢凈距為5m;在槽墩頂部和底部均設(shè)置實(shí)心段,在GG1#、GG3#墩中部設(shè)置1道0.5m厚內(nèi)橫隔板;GG2#槽墩采用雙肢薄壁空心墩,縱槽向?yàn)?m,橫槽向?yàn)?m,縱向壁厚0.7m,橫向壁厚1.9m,兩肢凈距為4m,在槽墩頂部和底部均設(shè)置實(shí)心段,均勻設(shè)置2道0.5m厚內(nèi)橫隔板;實(shí)心段與內(nèi)橫隔板之間為空心段,空心墩斷面尺寸見圖2。主墩墩身上端與箱梁0號(hào)梁段固結(jié),下端與承臺(tái)固結(jié)。3個(gè)主墩承臺(tái)厚5m,縱向長(zhǎng)21m,橫向?qū)?6m;樁基為12根直徑為2.2m的挖孔灌注樁組成的群樁基礎(chǔ),嵌入弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖深度不小于12m。上部箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55,槽墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,承臺(tái)樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。
1.2.1 風(fēng)對(duì)橋梁的作用
1940年11月7日,美國建成僅4個(gè)月的塔科馬懸索橋在約19m/s的風(fēng)速作用下發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動(dòng)而破壞,該事件促進(jìn)了橋梁工程界對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究,并形成了一門新興的交叉學(xué)科——橋梁風(fēng)工程學(xué)。目前,已取得了較大的發(fā)展并日趨成熟完善。
風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用屬流體與固體相互作用的范疇,是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象,它受到風(fēng)的自然特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用三方面的制約。一般來說,橋梁所受的自然風(fēng)為近地風(fēng),橋梁抗風(fēng)主要關(guān)心風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用,這種作用的實(shí)質(zhì)是風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果。為便于分析風(fēng)對(duì)橋梁的作用,橋梁風(fēng)工程學(xué)通常將風(fēng)速分為平均風(fēng)(穩(wěn)定風(fēng))及脈動(dòng)風(fēng)(紊流風(fēng))兩部分。平均風(fēng)載時(shí)間和空間都是不變的,其對(duì)橋梁的作用稱為定??諝饬?脈動(dòng)風(fēng)包括來流本身紊流和流固作用引起的紊流,其對(duì)橋梁的作用隨時(shí)間和空間的變化,稱為非定??諝饬?。
圖1 河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽布置示意圖(單位:m)
圖2 河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽槽墩空心斷面尺寸(單位:mm)
對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu),依據(jù)其剛度的不同可分為兩類:①剛性結(jié)構(gòu),在風(fēng)的作用下保持靜止不動(dòng)或在風(fēng)的作用下的響應(yīng)很小可忽略不計(jì);②柔性結(jié)構(gòu),在風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不能忽略,必須作為一個(gè)振動(dòng)體系來考慮。風(fēng)對(duì)橋梁的作用可分為靜力作用和動(dòng)力作用歸納見表1。
表1 風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)作用歸納表
1.2.2 風(fēng)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)的作用
文獻(xiàn)2介紹了虎門大橋輔航道橋(主跨270m的連續(xù)剛構(gòu)橋)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果:橋梁無論是在施工狀態(tài)還是在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)均不會(huì)出現(xiàn)振幅發(fā)散的振動(dòng)。對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋而言,其重力和扭轉(zhuǎn)剛度較大,同時(shí)其顫振臨界風(fēng)速很高。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,對(duì)于剛度較大的橋梁,風(fēng)致振動(dòng)很小,與靜力風(fēng)荷載相比,動(dòng)力風(fēng)荷載是次要的,可以采用基于陣風(fēng)風(fēng)速的陣風(fēng)荷載作為設(shè)計(jì)荷載。
鑒于河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽的外形特征與連續(xù)剛構(gòu)橋的外形特征相同,與同等跨度的連續(xù)剛構(gòu)橋相比,其上部箱梁具有更大的剛度,因此,可采用連續(xù)剛構(gòu)橋風(fēng)荷載計(jì)算方法分析本渡槽施工期的風(fēng)荷載。
連續(xù)剛構(gòu)渡槽與連續(xù)剛構(gòu)橋相似,穩(wěn)定性分析是合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,其與強(qiáng)度具有同等重要的意義。由于渡槽位于深山峽谷,兩側(cè)斜坡地形起伏較大,風(fēng)環(huán)境復(fù)雜,施工到最大懸臂狀態(tài)時(shí),GG2#槽墩高達(dá)81m,懸臂長(zhǎng)達(dá)74m。由于墩身采用了高強(qiáng)混凝土和空心薄壁結(jié)構(gòu),墩的截面尺寸小而高度大,受到的風(fēng)荷載及施工荷載較大,此時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀況異常重要。
結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指在外力作用下結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)開始喪失穩(wěn)定性,稍有擾動(dòng)(實(shí)際上不可避免)則變形迅速增大,最后使結(jié)構(gòu)遭到破壞。穩(wěn)定問題可以分為第一類穩(wěn)定問題和第二類穩(wěn)定問題。第一類穩(wěn)定問題叫做平衡分支問題,即機(jī)構(gòu)達(dá)到臨界荷載時(shí),除了原來的平衡狀態(tài)外,還會(huì)出現(xiàn)另外的平衡狀態(tài),這一臨界荷載是使結(jié)構(gòu)緣由的平衡形式保持穩(wěn)定的最大荷載。第二類穩(wěn)定問題又稱為極值點(diǎn)失穩(wěn)問題,即結(jié)構(gòu)在初始平衡狀態(tài)下,隨著荷載的不斷增加,在應(yīng)力比較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形,結(jié)構(gòu)的變形會(huì)很快增大;當(dāng)荷載達(dá)到一定的數(shù)值時(shí),即使不再增加,結(jié)構(gòu)的變形也迅速增加,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
壓桿屈曲穩(wěn)定問題通常采用靜力平衡法(歐拉方法)、能量法、缺陷法和振動(dòng)法進(jìn)行研究,文獻(xiàn)2介紹了兩類穩(wěn)定分析的有限元求解。施工期連續(xù)剛構(gòu)渡槽槽墩是典型的壓彎構(gòu)件,其穩(wěn)定性屬于極值點(diǎn)失穩(wěn)問題。第一類穩(wěn)定問題力學(xué)情況簡(jiǎn)單明確,采用線彈性有限元法求解特征值以分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更容易處理,其求得的臨界荷載又近似地代表第二類穩(wěn)定問題的上限。工程中通常以第一類穩(wěn)定問題的計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)的依據(jù),在實(shí)際應(yīng)用中取得了令人滿意的結(jié)果。
連續(xù)剛構(gòu)渡槽雙肢薄壁空心墩最大懸臂狀態(tài)屬于施工階段,是高槽墩施工期抗風(fēng)設(shè)計(jì)的控制狀態(tài)。風(fēng)速是抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的重要數(shù)據(jù),其決定了靜風(fēng)載荷載的大小。
(1)基本風(fēng)速
參考《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)的有關(guān)規(guī)定,選用地面以上10m高度處,100年重現(xiàn)期下10min平均年最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速,取V10=25.2m/s。
(2)渡槽箱梁、槽墩構(gòu)件基準(zhǔn)高度
渡槽箱梁、槽墩構(gòu)件基準(zhǔn)高度是計(jì)算對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的重要數(shù)據(jù),按表2取值。
表2 連續(xù)剛構(gòu)渡槽箱梁、槽墩構(gòu)件基準(zhǔn)高度
(3)渡槽構(gòu)件基準(zhǔn)高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速
渡槽構(gòu)件基準(zhǔn)高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vd按式(1)計(jì)算,式中K1為風(fēng)速高度變化系數(shù),取值與構(gòu)件與地面或水面高度、地表粗糙程度有關(guān),具體計(jì)算見文獻(xiàn)3。由此,計(jì)算得箱梁、槽墩的構(gòu)件基準(zhǔn)高度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速分別為32.565m/s、28.887m/s。
(4)施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速
施工階段的設(shè)計(jì)風(fēng)速Vsd可按式(2)計(jì)算,式中η為風(fēng)速重現(xiàn)系數(shù),施工期少于3年時(shí),可采用系數(shù)0.78。由此,計(jì)算得箱梁、槽墩的構(gòu)件基準(zhǔn)高度施工階段的設(shè)計(jì)風(fēng)速分別為 25.401m/s、22.532m/s。
《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)規(guī)定了作用于橋梁上風(fēng)荷載組成:①平均風(fēng)作用;②脈動(dòng)風(fēng)的背景脈動(dòng);③脈動(dòng)風(fēng)誘發(fā)抖振而產(chǎn)生的慣性力作用,它是脈動(dòng)風(fēng)譜和結(jié)構(gòu)頻率相近部分發(fā)生的共振相應(yīng);同時(shí),風(fēng)的靜力作用的風(fēng)荷載考慮了平均風(fēng)作用和脈動(dòng)風(fēng)的背景脈動(dòng)兩部分,稱為靜陣風(fēng)荷載。
(1)靜陣風(fēng)風(fēng)速
靜陣風(fēng)荷載是有靜陣風(fēng)風(fēng)速計(jì)算出的風(fēng)荷載,靜陣風(fēng)風(fēng)速Vg是在10min平均風(fēng)速的基礎(chǔ)上乘以陣風(fēng)系數(shù)Gv得到,使靜陣風(fēng)荷載包括了平均風(fēng)載荷脈動(dòng)背景相應(yīng)兩部分的綜合效應(yīng)。Gv是和地面粗糙程度、水平加載長(zhǎng)度等相關(guān)的參數(shù),具體參見文獻(xiàn)3。參考文獻(xiàn)3,按式(3)計(jì)算得箱梁、槽墩的構(gòu)件基準(zhǔn)高度施工階段的靜陣風(fēng)風(fēng)速分別為48.549m/s、45.064m/s。
(2)橫向靜陣風(fēng)荷載
根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)4.3.1條的規(guī)定,作用于主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的橫向靜陣風(fēng)荷載按式(4)計(jì)算。
FH——作用于主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的靜陣風(fēng)荷載,N/m;
ρ——空氣密度,取1.25kg/m3;
CH——主梁的阻力系數(shù),與主梁的投影高度及斷面全寬有關(guān);
H——主梁投影高度,m,對(duì)于運(yùn)行期,宜計(jì)入欄桿或其他箱梁頂面附屬結(jié)構(gòu)的實(shí)體高度。
本渡槽主梁梁高是變值,故每一懸澆節(jié)段對(duì)應(yīng)的CH亦是變值,參考文獻(xiàn)3第4.3.2條的規(guī)定計(jì)算,其變化如圖3;由于梁高H與CH均是變值,故每一懸澆節(jié)段所受到的橫向靜陣風(fēng)荷載亦是變值,具體見圖4。最大懸臂狀態(tài)下,0號(hào)梁段(墩頂)橫向靜陣風(fēng)荷載最大,為34.176kN/m,19號(hào)梁段(懸臂末端)最小,為12.979kN/m。
圖3 主梁各梁段阻力系數(shù)變化圖
圖4 主梁各梁段單位長(zhǎng)度上的橫向靜陣風(fēng)荷載變化圖
根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)4.4.1、4.4.3條的規(guī)定,作用于槽墩上的風(fēng)荷載可按地面或水面以上0.65倍墩高處的風(fēng)速值確定,按式(5)計(jì)算槽墩的橫向風(fēng)荷載,An是槽墩順風(fēng)向的投影面積,CH是槽墩的阻力系數(shù),可參考文獻(xiàn)3表4.4.2獲取。
(3)縱向風(fēng)荷載
由于《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)未對(duì)橋墩縱向風(fēng)荷載作具體規(guī)定,參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)4.3.7條的規(guī)定,槽墩縱向風(fēng)荷載按橫向風(fēng)壓的70%乘以槽墩迎風(fēng)面積。
(4)豎向風(fēng)荷載
參考《鋼橋混凝土橋及結(jié)合橋》(BS5400∶Pt.1—4∶1978—82)5.3.5條的規(guī)定以及文獻(xiàn)2的計(jì)算方法,主梁豎向風(fēng)荷載取橫向風(fēng)荷載的0.4倍。
連續(xù)剛構(gòu)渡槽最大懸臂狀態(tài)下風(fēng)荷載的加載模式主要有橫向風(fēng)、縱向風(fēng)以及豎向風(fēng)3類,根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)4.5.1條的規(guī)定,本渡槽的風(fēng)荷載除采用對(duì)稱加載外,還考慮了不對(duì)稱加載,不對(duì)稱系數(shù)取0.5,具體加載模式如下:
(1)箱梁對(duì)稱橫向風(fēng)荷載+槽墩橫向風(fēng)荷載;
(2)箱梁不對(duì)稱橫向風(fēng)荷載 +槽墩橫向風(fēng)荷載;
(3)槽墩縱向風(fēng)荷載;
(4)箱梁對(duì)稱豎向風(fēng)荷載;
(5)箱梁不對(duì)稱豎向風(fēng)荷載。
橫向風(fēng)、豎向風(fēng)加載示意見圖5、圖6,當(dāng)Fi=Fj時(shí),為箱梁橫向風(fēng)對(duì)稱加載,否則為不對(duì)稱加載;當(dāng)Pi=Pj時(shí),為箱梁豎向風(fēng)對(duì)稱加載,否則為不對(duì)稱加載。
(1)計(jì)算模型
本渡槽利用Midas Civil2011版軟件線性三維梁?jiǎn)卧?具有6個(gè)自由度,3個(gè)方向的位移自由度,3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)建模進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定分析,墩頂梁?jiǎn)卧c相應(yīng)的主梁梁?jiǎn)卧捎脛傂赃B接,最大懸臂狀態(tài)下的幾何模型如圖7所示。
圖5 橫向風(fēng)荷載加載示意圖
圖6 豎向風(fēng)荷載加載示意圖
圖7 施工期最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定分析模型
(2)施工荷載
施工荷載1:梁段容重不均勻荷載,出口側(cè)主梁容重超出設(shè)計(jì)容重4%,進(jìn)口側(cè)主梁容重低于設(shè)計(jì)容重4%,設(shè)計(jì)容重取26kN/m3。
施工荷載2:掛籃、現(xiàn)澆段及施工機(jī)具的動(dòng)力系數(shù),出口側(cè)一端取1.2,進(jìn)口側(cè)一端取0.8,掛籃重取1300kN。
施工荷載3:最后一懸臂澆筑梁段施工不同步,不平衡荷載相差一個(gè)底板自重,底板每延米重量取70kN/m。
施工荷載4:結(jié)合施工實(shí)際需要,槽頂會(huì)堆放施工臨時(shí)工具材料,計(jì)算時(shí)取出口側(cè)懸臂作用8.5kN/m的均布荷載,并在出口側(cè)懸臂端頭有200kN集中力,另一懸臂空載。施工荷載5:掛籃跌落,沖擊系數(shù)取2.0。
(3)荷載組合
按照荷載不利情況組合如下:
施工期荷載組合1:施工荷載(1+2+3+4);
施工期荷載組合2:施工荷載(1+2+3+4)+箱梁對(duì)稱橫向風(fēng)荷載+槽墩橫向風(fēng)荷載;
施工期荷載組合3:施工荷載(1+2+3+4)+箱梁不對(duì)稱橫向風(fēng)荷載+槽墩橫向風(fēng)荷載;
施工期荷載組合4:施工荷載(1+2+3+4)+槽墩縱向風(fēng)荷載;
施工期荷載組合5:施工荷載(1+2+3+4)+箱梁對(duì)稱豎向風(fēng)荷載;
施工期荷載組合6:施工荷載(1+2+3+4)+箱梁不對(duì)稱豎向風(fēng)荷載;
施工期荷載組合7:施工荷載(1+2+3+4+5)。
施工期各荷載組合下最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定分析成果見表3,各工況下一階模態(tài)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定特征值均大于10,參考公路行業(yè)拱橋整體穩(wěn)定安全系數(shù)大于4~5的規(guī)定,河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽施工期最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性是可靠的。表4給出了施工期荷載組合5前4階的穩(wěn)定特征值及失穩(wěn)模態(tài)型式,圖8~圖11給出了GG2#墩施工期組合5下的失穩(wěn)模式。計(jì)算結(jié)果表明(見表4),風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性影響不大。在橫向風(fēng)荷載的作用下,對(duì)槽墩截面會(huì)產(chǎn)生較大的橫向彎矩和扭矩,對(duì)槽墩的截面的強(qiáng)度影響較大;掛籃跌落工況下,槽墩頂、底部縱向彎矩增加明顯。不僅如此,文獻(xiàn)4的研究還表明,風(fēng)荷載對(duì)樁基設(shè)計(jì)同樣影響巨大。經(jīng)計(jì)算,墩身截面的強(qiáng)度、樁基的豎向承載力滿足要求。
表3 施工期最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定分析成果表
表4 GG2#墩施工期組合5下穩(wěn)定分析成果表
圖8 GG2#墩施工期組合5下的1階失穩(wěn)模態(tài)
圖9 GG2#墩施工期組合5下的2階失穩(wěn)模態(tài)
本文介紹了橋梁風(fēng)工程學(xué)、高墩穩(wěn)定性分析概況,論述了風(fēng)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)的作用,基于河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽的外形特征,采用陣風(fēng)風(fēng)速的靜陣風(fēng)荷載作為設(shè)計(jì)荷載;同時(shí),詳細(xì)介紹了施工階段靜陣風(fēng)荷載的計(jì)算方法以及加載模式,結(jié)合河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽施工期最大懸臂狀態(tài)的具體工程背景,分析了施工期荷載以及各工況組合,建立了三維梁?jiǎn)卧P?,采用線彈性有限元法求解特征值以分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明,河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽施工期最大懸臂狀態(tài)時(shí)具有良好的穩(wěn)定性,其施工期的抗風(fēng)穩(wěn)定是可靠的。河溝頭連續(xù)剛構(gòu)渡槽于2012年3月開始進(jìn)場(chǎng)施工,于2015年初達(dá)到最大懸臂狀態(tài),并于4月初順利合龍。實(shí)踐證明,基于靜陣風(fēng)荷載的高墩抗風(fēng)穩(wěn)定分析安全可靠,對(duì)同類工程的穩(wěn)定性分析具有一定參考價(jià)值。
圖10 GG2#墩施工期組合5下的3階失穩(wěn)模態(tài)
圖11 GG2#墩施工期組合5下的4階失穩(wěn)模態(tài)
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