大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

摘要 大跨度橋梁多建設(shè)在復(fù)雜地形、地質(zhì)環(huán)境中，作為公路通行的主要基礎(chǔ)設(shè)施，在促進(jìn)區(qū)域交通流銜接及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。橋梁前期設(shè)計(jì)決定著結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定及安全，針對(duì)大跨度橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析能夠?yàn)楹罄m(xù)橋梁建設(shè)成本控制及運(yùn)維提供必要支撐。文章基于北京市某高墩大跨箱梁剛構(gòu)橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析，并采取Midas Civil有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)特性研究。結(jié)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(shè)計(jì)中需加強(qiáng)配筋；第2、3階振型均表現(xiàn)為橫彎，易產(chǎn)生橫向變形，結(jié)構(gòu)橫向剛度需進(jìn)行提升；結(jié)構(gòu)高階振型對(duì)地震動(dòng)豎向響應(yīng)的影響較大。

關(guān)鍵詞 大跨度橋梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；自由振動(dòng)；振型

中圖分類號(hào) U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0082-03

0 引言

大跨度公路橋梁能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的交通建設(shè)要求，具備造型美觀、交通流量大等優(yōu)點(diǎn)?？紤]不同地區(qū)交通荷載、技術(shù)實(shí)施等因素限制，實(shí)際多依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)采取不同類型的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，如大跨度拱橋、斜拉橋、懸索橋等。當(dāng)前對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工理念及方法的研究相對(duì)欠缺，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特性不清晰，施工成本額外擴(kuò)大。開展大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略研究能夠?yàn)楹罄m(xù)施工提供必要指導(dǎo)，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

1 大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，拱橋主要適用于跨越寬度較小的溝壑、河道，其設(shè)計(jì)的最大跨度一般小于500 m，在復(fù)雜地形施工中難度較大。拱橋結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為超靜定體系，結(jié)構(gòu)受力及變形情況較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)剛度及施工順序?qū)皹蛸|(zhì)量影響較大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多采取有限元模擬軟件對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行分析，以提升關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及抗變形能力，確保結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性。拱橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（拱肋、交叉支撐、橫梁、拱座等）的設(shè)計(jì)質(zhì)量需要嚴(yán)格控制，如交叉支撐需要沿拱肋徑向設(shè)置，且保持寬度不變；當(dāng)拱橋高度較高、采取鋼箱作為主要結(jié)構(gòu)時(shí)，交叉支撐應(yīng)布設(shè)在鋼箱處，支撐底板和縱向加強(qiáng)筋以保持位置協(xié)調(diào)[1]。

1.2 大跨度斜拉橋

大跨度斜拉橋主要布設(shè)在跨越河流、溝壑等復(fù)雜區(qū)域，設(shè)計(jì)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(gòu)造，需設(shè)置減震結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，斜拉索容易在荷載沖擊下出現(xiàn)明顯振動(dòng)，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(cè)構(gòu)建索塔作為錨固件，上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力的合理性，橋面間隔、吊桿間需要加設(shè)加勁梁，盡量避免出現(xiàn)荷載過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撓度出現(xiàn)超規(guī)情況，同時(shí)需要采取其他優(yōu)化措施，如改善氣動(dòng)外形抑制渦振、調(diào)整斷面設(shè)計(jì)參數(shù)等。大跨度懸索橋設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)纜索時(shí)需分析結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)地區(qū)的交通便利性較差，擬銜接于周圍二級(jí)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(shè)計(jì)為三跨連續(xù)剛構(gòu)型式，上部結(jié)構(gòu)對(duì)稱設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)跨徑為（60+120+60） m，立面設(shè)計(jì)如圖1所示。橋梁設(shè)計(jì)為雙向二車道，設(shè)計(jì)車速為40 km/h，橋面凈寬12 m，行車道設(shè)計(jì)寬度為2×3.75 m。橋面鋪裝層設(shè)計(jì)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(jì)算荷載如下：恒載設(shè)計(jì)為主梁恒重26 kN/m3、二期荷載50 kN/m3；活載為公路Ⅱ級(jí)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)分析

主梁采取箱梁構(gòu)造，截面為單箱單室，變截面設(shè)計(jì)，朱梁底部呈1.8次拋物線變化。主梁設(shè)計(jì)尺寸如下：底板、頂板的設(shè)計(jì)寬度分別為6 m、12 m，設(shè)計(jì)厚度分別為1.6 m、0.8 m；箱梁壁厚設(shè)計(jì)為1 m；主梁設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)如圖2所示。主梁設(shè)計(jì)截面物理性質(zhì)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(shè)計(jì)寬度分別為7.5 m、7 m，橫、縱橋向壁厚均設(shè)計(jì)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(nèi)置1塊橫隔板，而2#、3#橋墩內(nèi)置2塊橫隔板，橋墩及橫隔板截面的設(shè)計(jì)尺寸如圖3所示。橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為嵌巖樁基礎(chǔ)，承臺(tái)厚度為4 m，鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)直徑為1.8 m。

3.2 內(nèi)力計(jì)算

全橋?yàn)閷?duì)稱連續(xù)剛構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)縱向設(shè)計(jì)采取全應(yīng)力構(gòu)件，橫向設(shè)計(jì)則采取部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件。橋梁內(nèi)力計(jì)算需依據(jù)不同施工階段合理采取荷載組合，如預(yù)應(yīng)力、施工荷載、撞擊力、溫度應(yīng)力、支座沉降等，采取設(shè)計(jì)程序BCD進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，并依照極限強(qiáng)度理論進(jìn)行不同關(guān)鍵截面的設(shè)計(jì)驗(yàn)算?？紤]橋梁在荷載作用下會(huì)出現(xiàn)畸變及翹曲，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響同樣不可忽視，橋梁需開展橫向框架的力學(xué)特性分析，對(duì)不同荷載組合下的局部溫差、畸變內(nèi)力及變形幅度進(jìn)行分析[3]。在主梁預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算階段，鋼絲松弛、管道摩阻、錨具回縮長(zhǎng)度需按照技術(shù)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，并分析負(fù)摩阻對(duì)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(shè)計(jì)階段則采取常規(guī)值。

3.3 施工材料

3.3.1 混凝土

箱梁結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)采用瀝青混凝土，墩柱、墩帽、防撞護(hù)欄及支座墊塊等結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，而基礎(chǔ)承臺(tái)、灌注樁、欄桿扶手等結(jié)構(gòu)則采用C20混凝土。

3.3.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線

結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)計(jì)需滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采取高強(qiáng)度松弛鋼絞線，設(shè)計(jì)模量為1.95×105 MPa，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa。橋梁結(jié)構(gòu)采取以下兩種直徑鋼絞線：主梁縱向結(jié)構(gòu)采用公稱直徑為15.24 mm的鋼絞線；主梁橫向結(jié)構(gòu)則采用公稱直徑為12.7 mm的鋼絞線。此外，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力束，而YGM-25型錨具則適用于精軋螺紋鋼固定[4]。

4 結(jié)構(gòu)自振特性分析

自由振動(dòng)是橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究的主要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)是橋梁在沒有受到外部激勵(lì)環(huán)境下出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象，由結(jié)構(gòu)自身初始加速度導(dǎo)致。橋梁結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)表現(xiàn)有振型、頻率兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建該橋梁的Midas Civil有限元模型進(jìn)行動(dòng)力分析，著重研究結(jié)構(gòu)前10階的自振特性。

4.1 模型構(gòu)建

Midas Civil有限元模型構(gòu)建如圖4所示，其結(jié)構(gòu)共包含158個(gè)單元，其中混凝土箱梁設(shè)計(jì)為80個(gè)單元、下部結(jié)構(gòu)為78個(gè)單元。為簡(jiǎn)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(jié)處理，而主梁與邊墩則采取支撐連接。主梁、橋墩均采取梁?jiǎn)卧M，采用集中質(zhì)量表征單元質(zhì)量，梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐謶?yīng)反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，地震響應(yīng)計(jì)算采取時(shí)程分析法[5]。計(jì)算荷載時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載及施加預(yù)應(yīng)力，且模型不考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用。

4.2 結(jié)果分析

在模型計(jì)算階段，橋梁自振特性主要采取多重Ritz向量法進(jìn)行計(jì)算。表2為模型前10階自振振型及頻率計(jì)算結(jié)果，依據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范可知，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)采取多振型反應(yīng)譜法進(jìn)行分析時(shí)，振型不同方向上的質(zhì)量貢獻(xiàn)率需大于90%，以確保抗震計(jì)算結(jié)果的精度[6]。為此，同樣對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)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(zhì)量。

表2結(jié)果表明，1階振型表現(xiàn)為反對(duì)稱豎彎+縱飄，考慮1#～4#橋墩高度較大，屬于高墩結(jié)構(gòu)，具備較好的變形延性，振動(dòng)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(zhuǎn)角，設(shè)計(jì)階段需要對(duì)橋墩墩底及墩頂進(jìn)行配筋優(yōu)化，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞。2、3階振型分別表現(xiàn)為對(duì)稱橫彎、反對(duì)稱橫彎，其橫向參與質(zhì)量均相對(duì)較大，橋梁結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)主梁及橋墩的橫向剛度[7]。

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

5 結(jié)論

作為公路基礎(chǔ)建設(shè)的關(guān)鍵組成部分，大跨度公路橋梁具備交通運(yùn)輸便捷、跨越性大、結(jié)構(gòu)美觀等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于河流、溝壑、山谷等復(fù)雜地形環(huán)境中。針對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究對(duì)于后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施及成本管控的重要作用，橋梁設(shè)計(jì)階段需要綜合分析不同問題，并合理優(yōu)化，以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。該文依托北京市某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)，并通過有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性的研究，獲取了良好的研究結(jié)果，可為類似項(xiàng)目建設(shè)提供理論參考。

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收稿日期：2024-04-17

作者簡(jiǎn)介：杜晶（1994—），男，碩士研究生，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。