某變截面箱梁連續剛構橋靜力與穩定性分析

宋衛麗

（長治市郊區交通運輸局，山西 長治 046000）

0 引言

大跨連續剛構橋因其具有良好的受力特性及成熟的施工技術，在橋梁建設中得到了越來越多的應用，尤其在西部山區地形應用較廣，因此對連續剛構橋的結構設計進行必要的分析尤為重要。

許多橋梁專家學者對連續剛構這一橋型進行了大量的分析研究。項貽強等人進行了大跨徑單室預應力連續剛構箱梁橋的靜力特性空間分析，得出了所設計橋梁應力不均勻系數對以后該類橋梁具有重要的理論意義和工程實踐指導[1]；潘鉆峰等人進行了大跨徑連續剛構橋主跨底板合龍預應力束的空間效應分析，得出了避免箱梁底板縱向開裂的建議，供以后設計大跨連續剛構橋提供參考設計[2]；孟新奇等人進行了大跨徑剛構橋梁跨中下撓問題研究，得出了通過合理的設計與施工，可以使大跨徑剛構橋梁跨中下撓問題得到抑制[3]；羅旗幟進行了變截面多跨箱梁橋剪滯效應分析，為變截面剛構橋的剪滯計算提供了資料[4]；劉心亮等人進行了變截面混凝土箱梁底板縱向開裂分析與加固，歸納了預應力束防崩力的計算方法供橋梁建設參考[5]；司徒毅等人進行了連續剛構橋主梁基于勢能變分原理的剪力滯效應，得出了頂板應力橫向變化較底板大[6]；劉楊等人進行了鋼管混凝土高墩連續剛構橋體系可靠指標計算方法，得出了一種方法迭代次數少，效率較高，可實現同類橋梁功能函數重構和體系可靠度計算[7]；黃文機等人進行了福建的剛構橋分析，通過這些典型剛構橋的計算與剖析，對這類體系橋梁的受力及其適用范圍作了評述，并提出若干建議[8]；劉榕等人進行了山店江大橋高墩連續剛構橋設計與關鍵技術分析，通過實例分析為連續剛構橋設計提供參考[9]；陳浩等人進行了大跨度連續剛構橋長期下撓成因分析與建議，通過對大跨度連續剛構橋長期下撓的主要原因進行分析，得出一些有意義的建議和措施，以供參考[10]；鞏春領等人進行了大跨徑剛構連續組合梁橋整體受力分析與探討，通過探討大跨徑預應力混凝土剛構-連續梁橋的力學特點和使用性能，對于完善大跨徑剛構-連續組合梁橋的設計理論、指導工程施工、確保結構安全、設計合理等方面都具有重要的參考價值[11]；楊愛武進行了連續剛構橋箱梁受力及影響參數分析，分析了預應力混凝土連續剛構橋上部結構箱型截面主梁的受力行為，并對影響箱梁受力的一些主要結構設計參數進行了分析[12]。本文以一座三跨連續剛構橋為例，建立有限元模型，進行結構靜力與穩定性分析。

1 工程項目概況及有限元模型

該橋為三跨預應力混凝土連續剛構橋，橋跨布置為69 m+124 m+69 m，全長262 m。標準橫斷面布置為1.0 m（人行道）+8 m（行車道）+1.0 m（人行道）=10.0 m，橋墩采用雙薄壁墩，樁基為鉆孔樁基礎。

計算分析采用有限元軟件，在模擬分析時主梁與橋墩均采用空間梁單元，墩梁采用剛性連接，墩底采用固結。有限元模型中共劃分601個單元，其中上部梁體161個單元，下部結構440個單元。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2 靜力荷載分析

2.1 設計荷載

進行結構設計荷載分析的主要依據為參考文獻[13]。

進行結構設計荷載分析的參數：

a）設計荷載 公路-I級，人群3.5 kN/m2；

b）體系溫度 根據當地月平均最高氣溫和最低氣溫情況，綜合考慮后計算取體系升溫20℃，體系降溫20℃；

c）主梁不均勻溫差 升溫溫差T1=14℃，T2=5.5℃，降溫溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃；

d）收縮徐變 按JTG D60—2004規范取值，計算到3 650 d，濕度按80%計；

e）不均勻沉降 橋墩考慮10 mm沉降。

2.2 靜力分析

本橋按照全預應力構件設計，進行了短期效應組合的抗裂性驗算，持久狀況下構件應力驗算，主梁承載能力驗算。

2.2.1 短期效應組合驗算

主梁在短期效應組合下，經計算得知：

a）主梁上緣均為壓應力，其中墩頂處壓應力為-1.87 MPa，中跨跨中壓應力為-1.26 MPa，邊跨跨中壓應力為-1.47 MPa。

b）主梁下緣均為壓應力，其中墩頂壓應力為-6.15 MPa，中跨跨中壓應力為-1.08 MPa，邊跨跨中壓應力為-2.82 MPa。

c）主梁上下緣最大壓應力均發生在橋墩截面處，均滿足規范限值，主梁不考慮豎向預應力作用的主拉最大應力發生在橋墩截面處，大小為0.931 MPa，滿足規范要求的1.425 MPa。圖2給出了短期效應組合下主拉應力包絡示意圖。

圖2 短期效應組合主拉應力包絡示意圖（不含豎向預應力，包含剪扭）

2.2.2 持久狀況效應驗算

《公橋規》第7.1.5條明文規定：要驗算使用階段預應力混凝土受彎構件正截面混凝土的壓應力和預應力鋼筋的拉應力。

主梁在持久狀況標準值組合下，經計算得知：

a）上緣均為壓應力，其中墩頂壓應力為-15.78 MPa，中跨跨中壓應力-15.42 MPa，邊跨跨中壓應力為-14.54 MPa，均滿足規范要求。

b）下緣都是壓應力，其中墩頂壓應力為-7.74 MPa，中跨跨中壓應力為-10.14 MPa，邊跨跨中壓應力為-7.34 MPa；均滿足規范要求。限于篇幅，此處圖3僅給出主壓應力包絡示意圖。

圖3 標準值組合主壓應力包絡示意圖

經計算得知，預應力鋼筋在施工及運營階段都滿足規范要求，表1給出了部分預應力鋼筋的拉應力驗算結果。

表1 幾組預應力鋼筋的拉應力驗算結果 MPa

2.2.3 主梁承載能力驗算

主梁承載能力驗算結果如圖4和圖5，由計算結果可知，主梁正截面抗彎承載能力滿足規范要求。

圖4 最大彎矩及對應的抗力圖

圖5 最小彎矩及對應的抗力圖

3 穩定性分析

首先對全橋進行了模態分析，經模態分析知全橋的一階自振頻率為0.25 Hz，一階振型為橋墩順橋向彎曲。表2給出了該橋前四階模態的頻率與振型描述。

表2 全橋前四階模態

進行了成橋階段和施工最大懸臂狀態的穩定性，由計算可知，成橋狀態全橋最小穩定安全系數為10.46，施工最大懸臂狀態的最小穩定安全系數為9.09，為左墩先失穩（右墩的高度小于左墩）。由此可知，不管是成橋階段還是施工最大懸臂狀態的穩定性都滿足規范要求。

圖6 成橋階段全橋穩定性安全系數最小模態

圖7 施工懸臂狀態的左墩失穩模態

4 結語

通過有限元軟件建立連續剛構箱梁橋的三維有限元模型，對該連續剛構橋的靜力荷載與穩定性進行了分析。

a）對于靜力荷載分析方面 采用全預應力構件設計，進行了短期效應組合的抗裂性驗算、持久狀況下構件應力驗算、主梁承載能力驗算，各驗算項目均符合規范要求。

b）對于穩定性分析 分析了成橋階段和施工最大懸臂狀態的穩定性。通過計算結果發現，該橋設計在靜力作用下的應力狀態與承載力完全滿足規范要求，成橋階段與施工狀態的穩定性也滿足規范要求。該橋的設計和驗算分析結果可以為相關類似工程項目提供一定的借鑒。