沈 敏 吳徐華

中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙 410014

連續(xù)剛構(gòu)是將T形剛構(gòu)與連續(xù)梁兩者特點(diǎn)結(jié)合在一起的一種新型結(jié)構(gòu)體系，其常用跨徑在100～300m之間，當(dāng)擬建橋梁橋跨超過100m時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)可以作為連續(xù)梁橋的比選方案。連續(xù)剛構(gòu)體系上部結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)同連續(xù)梁基本無異，區(qū)別在于主墩與主梁固結(jié)從而共同承受上部荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。連續(xù)剛構(gòu)體系主墩底部所承受的彎矩、主梁梁體內(nèi)的軸力隨著墩高的增加而減小，亦即，連續(xù)剛構(gòu)體系的受力特性與主墩的抗推剛度密切相關(guān)。在方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡量創(chuàng)造條件避免矮墩。當(dāng)受路線縱斷面設(shè)計(jì)高程限制，連續(xù)剛剛構(gòu)體系主跨跨徑大而主墩墩高小時(shí)，由于墩身抗推剛度大，溫度荷載、中孔活載以及主梁混凝土的收縮、徐變等作用將在主墩墩底產(chǎn)生較大的內(nèi)力，墩身截面往往難以通過強(qiáng)度驗(yàn)算，此外，當(dāng)墩高過矮時(shí)，對于雙肢薄壁主墩，邊跨側(cè)的肢墩甚至將承受向上的拉力。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，主墩高度與連續(xù)剛構(gòu)造橋的主跨跨徑之比小于1/10時(shí)，主墩設(shè)計(jì)逐漸成為左右連續(xù)剛構(gòu)方案是否成立的關(guān)鍵因素，當(dāng)墩高跨徑比小于1/10即認(rèn)為是矮墩連續(xù)剛構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需要采取各種措施改善結(jié)構(gòu)的受力情況。

本文以某高速公路在建70m+120m+70m矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋位研究對象，基于Midas Civil建立結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算模型，通過分析其受力特性對矮墩連續(xù)剛構(gòu)體系的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行定性探析，以期為后續(xù)同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某高速跨河大橋主橋?yàn)?0m+120m+70m三跨變高預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁為單箱單室變高箱梁，墩頂梁高7.2m，跨中梁高3.0m，梁高按2次拋物線變化，箱梁頂板寬16.5m，底板寬9.0m。主橋主墩均采用矩形截面雙肢薄壁墩，單肢壁厚1.2m，寬9.0m，主墩墩高為9.0m，主墩基礎(chǔ)為承臺下接群樁基礎(chǔ)，基樁直徑為2.2m。詳勘鉆孔揭示，主墩所在區(qū)域覆蓋層厚度約30m，覆蓋層主要為淤泥，全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

為求解矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁的真實(shí)變形與結(jié)構(gòu)內(nèi)力，合理研究結(jié)構(gòu)受力特性，本文在建立有限元分析模型時(shí)，考慮了樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用。其中，樁軸土對基樁的約束作用采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐單元進(jìn)行模擬，彈性支撐單元的剛度參考《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》 （JTG D63—2007） 附錄P相關(guān)內(nèi)容采用“m”法計(jì)算。研究工作對應(yīng)的有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 70m+120m+70m矮墩連續(xù)剛構(gòu)有限元模型

靜力計(jì)算結(jié)果表明，考慮基礎(chǔ)柔度時(shí)，剛構(gòu)主墩受力情況得到明顯改善，結(jié)構(gòu)整體升、降溫及主梁結(jié)構(gòu)收縮、徐變對連續(xù)剛構(gòu)體系的主墩內(nèi)力貢獻(xiàn)很大，具體情況定性說明如下。

2.1 基礎(chǔ)柔度對主墩內(nèi)力的影響

針對基礎(chǔ)柔度的影響建立兩種靜力分析模型，模型1考慮樁土相互作用，模型2不考慮樁周土的彈性作用，直接將墩底固結(jié)。計(jì)算結(jié)果表明，承載能力極限狀態(tài)下，模型1主墩墩底最大彎矩22576.9kN·m，模型2為42791.6kN·m，兩者相差懸殊。

2.2 均勻溫度

整體升溫時(shí)，中跨上拱，墩頂向邊跨位移；整體降溫時(shí)，中跨下?lián)?，墩頂向中跨位?） 收縮、徐變在運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段，主梁收縮、徐變將引起跨中下?lián)希鞫斩枕斚蛑锌缥灰啤?/p>

以小樁號主墩為例，承載能力極限狀態(tài)下墩身底截面內(nèi)力摘錄如表1所示。

表1 承載能力極限狀態(tài)下墩身底截面內(nèi)力

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

3.1 合龍溫度的確定

為防止溫度升降引起的剛構(gòu)體系附加內(nèi)力過大，應(yīng)根據(jù)橋梁所在區(qū)域的年氣溫變化資料，確定橋梁的最佳合龍溫度?？紤]到體系降溫對剛構(gòu)體系的負(fù)面影響更突出，最佳合龍溫度宜盡量接近當(dāng)?shù)貧v年最低溫度。

結(jié)合橋位區(qū)域溫度特征，歷年平均氣溫為22.1℃，歷年月平均最低氣溫 （1月）：13.9℃，歷年月平均最高氣溫 （7月）：平均28.4℃，主橋合攏溫度取18～20℃，根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》表4.3.10-2溫?zé)岬貐^(qū)最高、最低有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值分別為34℃和-3℃，兩者取大值，故有：

結(jié)構(gòu)整體升溫：34℃-18℃＝16℃；

結(jié)構(gòu)整體降溫：-3℃-20℃＝-23℃。

根據(jù)設(shè)計(jì)確定的合龍溫度，該橋?qū)儆诟邷睾淆?，?jīng)比選最終采用頂推方案優(yōu)化剛構(gòu)體系受力狀況，即：邊跨合龍前在中跨最大懸臂端施加頂推力后鎖死中跨合龍段勁性骨架，然后依次合龍邊跨、中跨。

3.2 頂推力的計(jì)算

對最大懸臂狀態(tài)T構(gòu)施加頂推力的前提是要確保主墩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在此前提下，其大小應(yīng)盡量消除主梁收縮、徐變，系統(tǒng)整體降溫作用產(chǎn)生的主墩墩頂向中跨跨中方向的位移。

主梁收縮、徐變及系統(tǒng)整體降溫時(shí)，自小樁號到大樁號方向4個肢墩墩頂?shù)捻槝蛳蛭灰品謩e為：25、21、-19、-21mm。

邊跨合龍前在中跨最大懸臂段端部施加水平頂推力，其大小為1800kN時(shí)，4個肢墩順橋向水平位移分別為-11.5、-11.5、11.2、11.2mm。

施加頂推力時(shí)，小樁號主墩在承載能力極限狀態(tài)下墩身頂、底截面內(nèi)力如表2所示。

表2 小樁號主墩在承載能力極限狀態(tài)下墩身頂、底截面內(nèi)力

4 結(jié)語

本文對某高速公路 （70+120+70） m矮墩連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行靜力分析，根據(jù)該橋受力特點(diǎn)提出了施加頂推力改善剛構(gòu)體系主墩受力的技術(shù)方案。經(jīng)驗(yàn)算，施加1800kN頂推力后，主墩墩身穩(wěn)定性在各施工階段均有較大安全儲備，同時(shí)，剛構(gòu)體系成橋各項(xiàng)驗(yàn)算均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求?；趧⒚骰ⅰⅫS勝前、潘可明、張揚(yáng)、楊美良及陳自華等人的研究發(fā)現(xiàn)[1-5]，結(jié)合本文的研究成果，對矮墩連續(xù)剛構(gòu)體系橋的設(shè)計(jì)，可總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)：

①軟弱、深厚覆蓋層地區(qū)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算時(shí)，考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用，連續(xù)剛構(gòu)體系主墩墩身受力得到極大改善，即該類橋梁計(jì)算應(yīng)合理計(jì)入基礎(chǔ)柔度的影響；

②相對高墩連續(xù)剛構(gòu)，矮墩體系主墩受力較為不利，方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能增大邊中跨比，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在施工條件許可的前提下盡可能增大墩身配筋率，同時(shí)，應(yīng)合理計(jì)算中跨合龍時(shí)的頂推力，從而增加邊跨側(cè)肢墩的壓應(yīng)力儲備保證其在各受力階段均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，必要時(shí)甚至可以通過邊跨側(cè)肢墩配豎向預(yù)應(yīng)力、邊跨懸臂端永久配重偏壓、墩身設(shè)豎縫形成多片墩及分割承臺等措施改善主墩受力情況。