鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

潘文濤

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200000）

1 概述

某鐵路橋?yàn)椋?5+128+75）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。連續(xù)剛構(gòu)橋平面位于直線(xiàn)上，設(shè)計(jì)荷載為ZK荷載。上部構(gòu)造懸澆施工，箱梁等寬變高，采用單箱單室直腹板截面。中支點(diǎn)根部梁高9.686m，邊支點(diǎn)及中跨跨中梁高5.686m，箱梁頂板寬12.2m，底板寬6.7m。主墩墩身高度分別為23.0m、21.5m；承臺(tái)尺寸為15.2m×11.2m×4m。基礎(chǔ)采用12 根直徑2.0m 的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)初步設(shè)計(jì)提供資料，橋梁計(jì)算跨度（75+128+75）m，支座中心到梁端0.75m，橋梁全長(zhǎng)279.5m。連續(xù)剛構(gòu)主墩采用矩形空心墩，剛構(gòu)主墩墩身高度分別為23m、21.5m。初步設(shè)計(jì)擬定主墩下部構(gòu)造為矩形空心墩，墩身尺寸8.4m（橫橋向）×7m（順橋向），壁厚1.35m。矩形空心墩一般斷面如圖1。

圖1 矩形空心墩橫斷面（單位：厘米）

本文采用橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS 軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型，全橋共劃分為137 個(gè)單元，共計(jì)140 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中主橋梁?jiǎn)卧?4 個(gè)。主墩墩梁固結(jié)，樁基采用等效矩形截面模擬，樁底固結(jié)，樁頂設(shè)置側(cè)向約束。BSAS結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2。

圖2 BSAS 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算分析結(jié)果

本項(xiàng)目通過(guò)模擬懸澆施工的過(guò)程，懸澆掛籃荷載按照100t 設(shè)計(jì)，懸澆梁段按照單元施工→張拉預(yù)應(yīng)力→移掛籃的順序進(jìn)行施工過(guò)程模擬，中跨合龍前對(duì)已澆筑梁體對(duì)稱(chēng)施加對(duì)頂力。梁體中跨跨中控制截面主要計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 梁體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（跨中控制截面）

由表1可以看出：在主力+附加力組合工況下，中跨跨中的應(yīng)力均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，且有一定的應(yīng)力儲(chǔ)備。但是在對(duì)梁體進(jìn)行正截面強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行檢算時(shí)，程序給出的中跨跨中截面檢算結(jié)果強(qiáng)度不滿(mǎn)足規(guī)范要求，且判定截面的受力特點(diǎn)為大偏心受拉構(gòu)件。連續(xù)剛構(gòu)上部構(gòu)件為受彎構(gòu)件，出現(xiàn)大偏心受拉，意味著梁體軸向內(nèi)力為拉力。連續(xù)剛構(gòu)出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)軸向拉力的主要因素有溫度、鋼束的次效應(yīng)、收縮徐變等。對(duì)本項(xiàng)目中跨的軸向內(nèi)力進(jìn)行單項(xiàng)分析，在恒載、溫度、沉降等工況下，中跨均出現(xiàn)了軸向拉力，各工況下的軸向內(nèi)力如表2。

表2 梁體分項(xiàng)荷載下軸向內(nèi)力（單位：kN）

由表2可以看出，在恒載和溫度作用下中跨梁體出現(xiàn)較大的軸向拉力，該軸向拉力應(yīng)為正截面強(qiáng)度安全驗(yàn)算中出現(xiàn)大偏心受拉構(gòu)件的主要原因。對(duì)恒載下軸向內(nèi)力的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，主要是由梁體收縮徐變和鋼束次效應(yīng)產(chǎn)生。結(jié)合恒載下墩頂順橋向位移分別為4.94mm和-4.86mm，認(rèn)為產(chǎn)生較大軸向拉力的原因?yàn)闃蚨談偠容^大，在鋼束次效應(yīng)和梁體收縮徐變效應(yīng)下的墩頂變形和梁體變形協(xié)調(diào)，梁體因此產(chǎn)生較大的軸向拉力。

2.3 調(diào)整空心墩壁厚方案

考慮到初步設(shè)計(jì)階段橋墩的壁厚為1.35m，尺寸較大，可以通過(guò)調(diào)整壁厚來(lái)降低橋墩剛度，對(duì)梁體縱向受力較為有利。調(diào)整后墩身壁厚按照0.65m 考慮。對(duì)下部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整后，維持原上部結(jié)構(gòu)尺寸及縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，經(jīng)計(jì)算恒載工況下中跨仍出現(xiàn)了較大的軸向拉力，軸向拉力值為5367kN，相比1.35m 壁厚尺寸下的軸向拉力有所減小。恒載下墩頂順橋向位移分別為3.72mm 和-3.82mm。

通過(guò)比較兩種橋墩壁厚尺寸下的計(jì)算結(jié)果，調(diào)整空心墩的壁厚對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，主要影響因素為空心墩的剛度較大，主梁受橋墩剛度影響，產(chǎn)生較大的軸向拉力，對(duì)結(jié)構(gòu)不利，需要對(duì)橋墩構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 橋墩結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

考慮到矩形空心墩的剛度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，因此擬采用雙肢薄壁墩。按雙肢薄壁墩建立計(jì)算模型，墩身與主梁固結(jié)，樁基采用等效矩形截面模擬，樁底固結(jié)，樁頂設(shè)置側(cè)向約束。初步擬定兩種不同方案的橋墩尺寸：①壁厚1.6m，雙肢間距5.4m；②壁厚1.4m，雙肢間距5.4m。經(jīng)計(jì)算，梁體主力+附加力組合下主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3。

表3 梁體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（雙肢薄壁墩）

根據(jù)以上對(duì)比結(jié)果，雙肢間距5.4m 時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)受力較空心墩方案有較為明顯的改善，且中跨受力檢算未出現(xiàn)偏心受拉構(gòu)件。根據(jù)以上計(jì)算模型的橋墩內(nèi)力和施工階段彎矩，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算后最終確定橋墩壁厚1.4m，間距5.6m。優(yōu)化后橋墩構(gòu)造如圖3，梁體主要計(jì)算結(jié)果如表4。

圖3 雙肢薄壁橋墩構(gòu)造圖（單位：mm）

主墩構(gòu)造改為雙肢薄壁敦后，梁部整體應(yīng)力狀態(tài)較好，恒載工況下中跨并未出現(xiàn)軸向拉力，主梁及橋墩各項(xiàng)檢算均能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，中跨截面強(qiáng)度檢算截面受力特點(diǎn)亦為受彎構(gòu)件。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)中，主墩的構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)主梁的受力狀態(tài)影響較大，主墩剛度過(guò)大對(duì)導(dǎo)致梁體出現(xiàn)軸向拉力，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。在進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合橋梁的跨度及墩身高度進(jìn)行綜合選擇，對(duì)于跨度較大、主墩墩身高度較小時(shí)，應(yīng)盡量選剛度較小的構(gòu)造，避免梁體出現(xiàn)偏心受拉構(gòu)件；對(duì)于高墩的連續(xù)剛構(gòu)，則宜采用剛度較大的構(gòu)造。