摘要 大跨度橋梁多建設在復雜地形、地質環(huán)境中，作為公路通行的主要基礎設施，在促進區(qū)域交通流銜接及產業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。橋梁前期設計決定著結構運營的穩(wěn)定及安全，針對大跨度橋梁設計結構分析能夠為后續(xù)橋梁建設成本控制及運維提供必要支撐。文章基于北京市某高墩大跨箱梁剛構橋進行結構設計要點分析，并采取Midas Civil有限元軟件進行結構自由振動特性研究。結果表明，第1階振型表現(xiàn)為豎彎+縱飄，順橋向墩底及墩頂位置容易出現(xiàn)較大塑性鉸，設計中需加強配筋；第2、3階振型均表現(xiàn)為橫彎，易產生橫向變形，結構橫向剛度需進行提升；結構高階振型對地震動豎向響應的影響較大。

關鍵詞 大跨度橋梁；結構設計；自由振動；振型

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0082-03

0 引言

大跨度公路橋梁能夠適應復雜地形的交通建設要求，具備造型美觀、交通流量大等優(yōu)點?？紤]不同地區(qū)交通荷載、技術實施等因素限制，實際多依據(jù)項目特點采取不同類型的大跨度橋梁結構進行施工，如大跨度拱橋、斜拉橋、懸索橋等。當前對大跨度橋梁結構設計施工理念及方法的研究相對欠缺，導致結構特性不清晰，施工成本額外擴大。開展大跨度橋梁結構設計策略研究能夠為后續(xù)施工提供必要指導，具有重要的社會經濟意義。

1 大跨度公路橋梁結構分類

1.1 大跨度拱橋

大跨度拱橋主要由鋼筋混凝土及石材施工而成，是最為常見的橋梁結構，拱橋主要適用于跨越寬度較小的溝壑、河道，其設計的最大跨度一般小于500 m，在復雜地形施工中難度較大。拱橋結構表現(xiàn)為超靜定體系，結構受力及變形情況較為復雜，結構剛度及施工順序對拱橋質量影響較大。結構設計中多采取有限元模擬軟件對結構力學特性進行分析，以提升關鍵結構的強度及抗變形能力，確保結構運營的穩(wěn)定性。拱橋設計關鍵結構（拱肋、交叉支撐、橫梁、拱座等）的設計質量需要嚴格控制，如交叉支撐需要沿拱肋徑向設置，且保持寬度不變；當拱橋高度較高、采取鋼箱作為主要結構時，交叉支撐應布設在鋼箱處，支撐底板和縱向加強筋以保持位置協(xié)調[1]。

1.2 大跨度斜拉橋

大跨度斜拉橋主要布設在跨越河流、溝壑等復雜區(qū)域，設計跨徑一般控制在300～800 m之間。斜拉橋主梁提供彈性支撐力，一般采取鋼梁構造，需設置減震結構，索塔造型可采取Y形或V形。斜拉橋受力跨度小，主要采取斜拉索銜接主梁及索塔。作為柔性結構，斜拉索容易在荷載沖擊下出現(xiàn)明顯振動，需配備減震阻尼裝置，避免出現(xiàn)錨具損壞、引發(fā)橋梁的安全事故。

1.3 大跨度懸索橋

大跨度懸索橋是在兩側構建索塔作為錨固件，上部結構通過和懸掛纜索下垂吊桿連接形成固定的橋梁形式。為確保整體結構受力的合理性，橋面間隔、吊桿間需要加設加勁梁，盡量避免出現(xiàn)荷載過大而導致結構撓度出現(xiàn)超規(guī)情況，同時需要采取其他優(yōu)化措施，如改善氣動外形抑制渦振、調整斷面設計參數(shù)等。大跨度懸索橋設計跨徑可超過1 000 m，適用于跨越江河、山區(qū)等地形環(huán)境，設計纜索時需分析結構的受力特性，合理確定纜索形狀；懸索橋邊跨、中跨、塔高之間的設計比例控制如下：塔高/跨徑小于0.25，0.2<邊跨/中跨<0.4[2]。

2 工程概況

北京市某新建公路大橋跨越河道，橋址建設地區(qū)的交通便利性較差，擬銜接于周圍二級公路，充分發(fā)揮區(qū)域車輛疏散及交通銜接作用。該橋梁設計為三跨連續(xù)剛構型式，上部結構對稱設計，設計跨徑為（60+120+60） m，立面設計如圖1所示。橋梁設計為雙向二車道，設計車速為40 km/h，橋面凈寬12 m，行車道設計寬度為2×3.75 m。橋面鋪裝層設計如下：SBS改性瀝青上面層（4 cm AC-13C）+SBS改性瀝青下面層（6 cm AC-20C）+0.2～0.4 L/m2雙層溶劑型防水黏層+混凝土橋面板。橋梁計算荷載如下：恒載設計為主梁恒重26 kN/m3、二期荷載50 kN/m3；活載為公路Ⅱ級。

3 結構設計

3.1 結構分析

主梁采取箱梁構造，截面為單箱單室，變截面設計，朱梁底部呈1.8次拋物線變化。主梁設計尺寸如下：底板、頂板的設計寬度分別為6 m、12 m，設計厚度分別為1.6 m、0.8 m；箱梁壁厚設計為1 m；主梁設計高度，跨中、根部梁高分別為3.3 m、7.1 m。根部及跨中1/2斷面設計如圖2所示。主梁設計截面物理性質如表1所示。橋墩則采取等截面空心薄壁墩，橋墩橫向、縱向設計寬度分別為7.5 m、7 m，橫、縱橋向壁厚均設計為1.2 m。1#～4#橋墩高度分別為52 m、95 m、94 m、53 m。為提升橋墩剛度，1#、4#橋墩內置1塊橫隔板，而2#、3#橋墩內置2塊橫隔板，橋墩及橫隔板截面的設計尺寸如圖3所示。橋墩基礎設計為嵌巖樁基礎，承臺厚度為4 m，鉆孔灌注樁設計直徑為1.8 m。

3.2 內力計算

全橋為對稱連續(xù)剛構，上部結構縱向設計采取全應力構件，橫向設計則采取部分預應力A類構件。橋梁內力計算需依據(jù)不同施工階段合理采取荷載組合，如預應力、施工荷載、撞擊力、溫度應力、支座沉降等，采取設計程序BCD進行結構受力分析，并依照極限強度理論進行不同關鍵截面的設計驗算?？紤]橋梁在荷載作用下會出現(xiàn)畸變及翹曲，溫度變化對結構內力影響同樣不可忽視，橋梁需開展橫向框架的力學特性分析，對不同荷載組合下的局部溫差、畸變內力及變形幅度進行分析[3]。在主梁預應力損失計算階段，鋼絲松弛、管道摩阻、錨具回縮長度需按照技術規(guī)定進行計算，并分析負摩阻對回縮量的影響。施工荷載、徐變系數(shù)、混凝土齡期等參數(shù)在設計階段則采取常規(guī)值。

3.3 施工材料

3.3.1 混凝土

箱梁結構采用C50混凝土，10 cm現(xiàn)澆橋面板則采用C40混凝土，橋面鋪裝設計采用瀝青混凝土，墩柱、墩帽、防撞護欄及支座墊塊等結構采用C30混凝土，而基礎承臺、灌注樁、欄桿扶手等結構則采用C20混凝土。

3.3.2 預應力鋼絞線

結構預應力鋼絞線設計需滿足相關技術標準，采取高強度松弛鋼絞線，設計模量為1.95×105 MPa，標準強度為1 860 MPa。橋梁結構采取以下兩種直徑鋼絞線：主梁縱向結構采用公稱直徑為15.24 mm的鋼絞線；主梁橫向結構則采用公稱直徑為12.7 mm的鋼絞線。此外，預應力束均配備金屬波紋管道，錨具規(guī)格為OVM15系列，H形壓花錨適用于固定橫向預應力束，而YGM-25型錨具則適用于精軋螺紋鋼固定[4]。

4 結構自振特性分析

自由振動是橋梁結構動力特性研究的主要內容，結構自由振動是橋梁在沒有受到外部激勵環(huán)境下出現(xiàn)的振動現(xiàn)象，由結構自身初始加速度導致。橋梁結構自由振動表現(xiàn)有振型、頻率兩個關鍵參數(shù)，構建該橋梁的Midas Civil有限元模型進行動力分析，著重研究結構前10階的自振特性。

4.1 模型構建

Midas Civil有限元模型構建如圖4所示，其結構共包含158個單元，其中混凝土箱梁設計為80個單元、下部結構為78個單元。為簡化分析，主梁、主墩之間采取剛性連接，地基與橋墩兩者之間相互固結處理，而主梁與邊墩則采取支撐連接。主梁、橋墩均采取梁單元模擬，采用集中質量表征單元質量，梁單元劃分應反映結構的實際情況，地震響應計算采取時程分析法[5]。計算荷載時，應考慮結構自重、二期恒載及施加預應力，且模型不考慮樁-土-結構的相互作用。

4.2 結果分析

在模型計算階段，橋梁自振特性主要采取多重Ritz向量法進行計算。表2為模型前10階自振振型及頻率計算結果，依據(jù)抗震設計規(guī)范可知，結構地震響應采取多振型反應譜法進行分析時，振型不同方向上的質量貢獻率需大于90%，以確保抗震計算結果的精度[6]。為此，同樣對該橋梁結構分析前40階高階振型，獲取圖5所示前10階及前40階振型的參與質量。

表2結果表明，1階振型表現(xiàn)為反對稱豎彎+縱飄，考慮1#～4#橋墩高度較大，屬于高墩結構，具備較好的變形延性，振動頻率為0.36，橋墩墩底及墩頂位置容易出現(xiàn)較大的塑性轉角，設計階段需要對橋墩墩底及墩頂進行配筋優(yōu)化，避免出現(xiàn)結構損壞。2、3階振型分別表現(xiàn)為對稱橫彎、反對稱橫彎，其橫向參與質量均相對較大，橋梁結構具備較低的橫向抗變形能力，容易出現(xiàn)較大的橫向變形。為此，在設計中應加強主梁及橋墩的橫向剛度[7]。

圖5結果表明，1階振型的參與質量作用在縱橋向，表現(xiàn)為縱向振動；2、3階振型參與質量作用在橫橋向，表現(xiàn)為橫向振動；前10階振型中，縱向振型累計參與質量為0.75，橫向振型累計參與質量為0.71，而豎向振型累計參與質量為0.04。前40階振型中，縱向參與質量為0.98，橫向參與質量為0.96，豎向參與質量則為0.92。由此可知，縱橫向振動和低階振型關聯(lián)較大，而豎向振動與高階振型關聯(lián)較大。前40階振型質量參與系數(shù)均超過0.9，滿足后續(xù)地震響應譜計算的精度需求。

5 結論

作為公路基礎建設的關鍵組成部分，大跨度公路橋梁具備交通運輸便捷、跨越性大、結構美觀等優(yōu)點，普遍應用于河流、溝壑、山谷等復雜地形環(huán)境中。針對大跨度橋梁結構設計研究對于后續(xù)項目實施及成本管控的重要作用，橋梁設計階段需要綜合分析不同問題，并合理優(yōu)化，以延長橋梁的使用壽命。該文依托北京市某三跨連續(xù)剛構橋進行關鍵結構及材料設計，并通過有限元軟件進行結構自振特性的研究，獲取了良好的研究結果，可為類似項目建設提供理論參考。

參考文獻

[1]王建華，陸錚，王陽，等.三跨連續(xù)梁橋頂推施工導梁結構優(yōu)化分析[J].科技與創(chuàng)新，2024（2）：108-110.

[2]宗周紅，林元錚，林津，等.跨斷層地震動及其對橋梁結構影響研究進展[J].中國公路學報，2023（1）： 80-96.

[3]肖鑫.基于健康監(jiān)測的鋼桁梁橋結構承載力可靠性評估[J].鐵道標準設計，2020（5）： 89-95.

[4]彭建新，柴瑩，張建仁.橋梁結構服役狀態(tài)可靠度評估綜述[J].中外公路，2023（4）：1-7.

[5]李繼為.大跨度鋼結構連續(xù)剛構橋施工和成橋階段抖振分析[J].金屬功能材料，2023（4）：94-99.

[6]伊廷華，鄭旭，楊東輝，等.中小跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)輕量化設計方法[J].振動工程學報，2023（2）：458-466.

[7]鞠翰文，鄧揚，李愛群.橋梁結構撓度-溫度-車輛荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)相關性模型[J].振動與沖擊，2023（6）：79-89.

收稿日期：2024-04-17

作者簡介：杜晶（1994—），男，碩士研究生，工程師，從事橋梁設計工作。