連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性研究

鄒宇峰 湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師

連續(xù)剛構(gòu)橋梁作為一種在高墩、大跨橋中廣泛應(yīng)用的柔性適應(yīng)橋梁，橋梁跨度大，有利于滿足建設(shè)要求。在連續(xù)剛橋梁建設(shè)中，此結(jié)構(gòu)的橋梁具有承載能力強、適應(yīng)性強等優(yōu)勢，能為建設(shè)企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟效益[1]。在連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計過程中，應(yīng)當關(guān)注結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，觀察結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理及安全。對此，本文以3 m×150 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁為案例，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋梁的常見問題

1.1 箱梁開裂

第一，腹板斜裂縫。該問題也稱為剪切裂縫，是箱梁中最容易發(fā)生的問題，發(fā)生該問題與橫截面拉力及應(yīng)力指標過大息息相關(guān)，截面尺寸不足及腹板發(fā)生彎曲容易誘發(fā)拉應(yīng)力指標偏大的情況，進便會出現(xiàn)腹板斜裂縫。裂縫一般出現(xiàn)在主跨L/4 位置及邊跨點周圍。

第二，底板縱向裂縫。該裂縫與底板橫彎不規(guī)則受力具有相關(guān)性，在底板應(yīng)力影響下會導(dǎo)致底板發(fā)生崩裂問題。連續(xù)剛結(jié)構(gòu)底板曲線一般是拋物線結(jié)構(gòu)，一旦底板應(yīng)力發(fā)生變化，容易自鋼束中產(chǎn)生巨大的徑向力，一旦發(fā)生橫向變形，也容易導(dǎo)致底板產(chǎn)生裂縫，伴隨連續(xù)剛結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，縱向裂縫的發(fā)生率較高。加之連續(xù)剛構(gòu)底板具有較多的束板，在預(yù)應(yīng)力施工階段容易發(fā)生底板崩裂問題[2]。

第三，頂、底部誘發(fā)橫向裂縫。在箱梁配置不全面的情況下，容易發(fā)生預(yù)應(yīng)力改變，底板會出現(xiàn)橫向裂縫。

1.2 跨中下?lián)?/h3>

早期建設(shè)連續(xù)剛構(gòu)橋梁的過程中，跨中下?lián)鲜欠浅３Ｒ姷膯栴}，隨著剛構(gòu)跨徑增大，病害問題加重。比如，黃石大橋的主跨徑距離為245 m，經(jīng)過為期10 年的觀察，下?lián)现笖?shù)是323 mm。對此，在設(shè)計過程中應(yīng)關(guān)注預(yù)應(yīng)力降低情況，一旦預(yù)應(yīng)力發(fā)生長期損失，結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力強度不足會導(dǎo)致工程建設(shè)質(zhì)量降低。

1.3 高墩剛度不足

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁在施工過程中，會遇到地形復(fù)雜的地區(qū)。比如赫章特大橋的主墩高度為195 m，也被稱為亞洲第一高墩；三河水特大橋的最高主墩為183 m。此類超高墩剛構(gòu)橋梁一般跨度大，伴隨橋址風(fēng)速變化，橫向荷載隨之發(fā)生變化，橋墩橫向剛度較高。但很多施工單位并未對高墩橋梁發(fā)生位移的情況展開分析，導(dǎo)致連續(xù)剛結(jié)構(gòu)橋墩剛度不足，一旦出現(xiàn)橫風(fēng)，橋梁容易橫向移動，導(dǎo)致位移度過大，會降低行車及行人的舒適性[3]。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點

在現(xiàn)代橋梁工程中，連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)非常常見，包含剛結(jié)構(gòu)及連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)，能夠保證橋梁處于最佳的受力狀態(tài)。連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)的主梁及橋墩具有獨特性，主梁根部跨高為15.7 ～20.6 m，相比同徑、同跨橋梁結(jié)構(gòu)，跨中區(qū)域的正彎矩小。連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)具有特殊性，受力特征與剛結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)類似，橋墩固結(jié)在主梁及橋墩結(jié)合位置，恒載作用下豎向位移及跨中彎矩相同。若橋墩結(jié)構(gòu)形式較為輕薄，橋墩頂部彎曲指標比同跨徑連續(xù)梁小，從而有利于減少其中的恒載力。連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)具有剛結(jié)構(gòu)及連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點，在受力分析中關(guān)注混凝土的顏色及溫度等，從而整體增強橋梁的受力能力，為建設(shè)高質(zhì)量的橋梁奠定堅實的基礎(chǔ)。

3 連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性分析

以我國3 m×150 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁為例，橋梁跨越黑水灘河，河流內(nèi)常見分流，河流走向呈現(xiàn)U 型，河床寬度及橋位最高位置為40 m 及280 m。該地區(qū)的水流量較大，平均洪水位265 m。對橋梁覆蓋系數(shù)及全新黏土等展開綜合分析，項目整體設(shè)計速率控制在80 km/h；針對技術(shù)標準進行分析，遵循高速公路設(shè)計的基本標準，路基及單幅橋面指標分別為24.5 m、12 m；針對地震反射周期頻譜進行研究，保持在0.35 s，地震烈度一般是IV 度。主橋位于直線段，引橋起點到K27+086處于圓緩平曲線段，R=915.014 m，A=428.544。為保證橋梁的整體設(shè)計要求，還需要對施工過程進行綜合設(shè)計，在研究過程中1～4孔選擇錯位布置方式，而2～8孔采取T 梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對橋梁建設(shè)展開分析，還需要掌握上下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。第一，主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計過程中把握箱梁頂板尺寸及底板尺寸，其指標分別為12 m 及6 m，根部及跨中分別為9 m 及3.3 m，梁底曲線根據(jù)相關(guān)指數(shù)進行調(diào)整。在設(shè)計腹板厚度時，從50 cm 提升到70 cm；底板厚度則是，從32 cm 過渡到100 cm。第二，調(diào)整預(yù)應(yīng)力剛束板。主梁選擇三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對實際受力情況展開分析，頂板、腹板及底板鋼束分別為15-19型、15-21型、15-17型。中跨合龍及邊跨丙班選擇15-19 型鋼絞線。主梁預(yù)應(yīng)力鋼束則選擇15-5 型，在工程設(shè)計過程中根據(jù)實際情況進行選擇，保證鋼絞線強度合理。20-23 號主墩是雙薄空心墩，截面尺寸為3.5 m×8.5 m，根據(jù)連續(xù)剛橋梁建設(shè)需求，對樁基進行合理布設(shè)，選擇嵌巖樁結(jié)構(gòu)[4]。

3.2 結(jié)構(gòu)有限元分析

對橋梁設(shè)計的靜力情況進行分析，計算模型共計750 個，單元共計740 個，主梁中含有376個單元，墩中有364個梁單元，結(jié)構(gòu)利用墩底固結(jié)，邊支座設(shè)置彈性連接。在計算荷載的過程中，先計算恒載：一期恒載包括主梁、橫梁等，根據(jù)實際斷面設(shè)置為26 kN/m3；根據(jù)荷載力變化，二期恒載設(shè)置為50 kN/m3。在有限元分析過程中，對公路活載及溫度變化進行分析，以獲得主梁截面的相關(guān)取值范圍，在基礎(chǔ)變位過程中根據(jù)主墩情況展開分析。在風(fēng)力荷載計算過程中，還需要對運營風(fēng)活載進行綜合處理，結(jié)合我國的相關(guān)規(guī)范，調(diào)整運營風(fēng)橋面荷載風(fēng)速為25 m/s，并在有限元分析過程中對荷載組合情況進行分析[5]。

3.3 上部結(jié)構(gòu)靜力分析

上部箱梁中的斜截面抗裂及主梁剛度應(yīng)當滿足相關(guān)規(guī)范，采取正截面方法對應(yīng)力進行計算，針對相關(guān)標準計算預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的最大壓力，達到18.75 MPa 即可，在計算過程中對主梁階段的應(yīng)力進行分析，獲得法向最大應(yīng)力指標為16.58 MPa，滿足18.75 Mpa 的設(shè)計標準，與設(shè)計規(guī)范相符。

3.4 主墩施工承載力驗算

針對主梁懸臂進行施工，常出現(xiàn)澆筑不均勻情況，加之掛籃脫落問題，容易導(dǎo)致主墩結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此，主墩施工過程中應(yīng)當關(guān)注內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，風(fēng)荷載系數(shù)保持在0.85，一側(cè)掛籃載重為1000 kN，澆筑質(zhì)量不均勻的懸臂段重量再乘以1.024，從而獲得左下肢下端的內(nèi)力計算值（如表1）。

表1 最高墩22號墩施工過程中的不利情況

3.5 穩(wěn)定性分析

第一，成橋穩(wěn)定性分析。對建設(shè)的橋梁穩(wěn)定性展開研究，對活載模型進行統(tǒng)計，并計算活載穩(wěn)定性，根據(jù)結(jié)果對最小系數(shù)進行分析，最終結(jié)果為18.71。第二，施工階段穩(wěn)定性分析。在橋梁建設(shè)過程中，應(yīng)當關(guān)注橋梁建設(shè)的穩(wěn)定性，一側(cè)掛籃若不平衡，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會受到影響。

4 結(jié)語

在連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，容易發(fā)生梁開裂及橋墩剛度不足問題，設(shè)計過程中應(yīng)當采取有效的應(yīng)對措施，可采取優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)及合理設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束等方法。在橋梁施工過程中也要關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性及穩(wěn)定性，從而保證橋梁的整體耐久性滿足要求。