某山區高墩連續剛構橋結構設計與分析

袁宏波，王寶陽，鄒黎瓊

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢市 430051)

0 引言

湖北省地勢處于第二階梯至第三階梯過渡區，鄂東、鄂西、鄂北三面環山，山地約占全省面積的55.5%。近年來湖北省高等級公路發展迅猛，公路骨架網絡基本形成，高等級公路建設逐漸推向鄂西、鄂東等邊遠山區地帶。受限于地形、地質條件山區公路不可避免地需要跨越深溝峽谷，普遍橋墩高度較大，墩身位移較大，連續梁橋已不是合適橋型，采用橋梁墩和主梁固結的連續剛構橋，適應了結構變形，改善了上構受力，是一種比較適合山區修建的橋型。該橋型的主要特點是結構受力較復雜、高墩穩定性難以滿足等。以鄂西山區一座典型的高墩連續剛構橋——雞公嶺大橋為例，對其結構受力和高墩穩定性進行分析，以期積累設計經驗并提供參考。

1 工程概況

1.1 總體設計

雞公嶺大橋是位于湖北省巴東縣巴東長江大橋至平陽壩段一級公路項目上的一座典型的高墩大跨連續剛構橋梁，主橋為(60+100+60)m全預應力混凝土連續剛構，圖1為雞公嶺大橋立面布置圖。

圖1 橋型布置圖

1.2 設計標準

(1)汽車荷載等級：公路-I級。

(2)設計車速：80km/h。

(3)抗震按7度等級措施設計。

(4)設計洪水頻率:1/300。

(5)環境類別：I類。

(6)安全等級：一級。

2 主橋結構設計

2.1 設計計算參數取值

(1)恒載：

①一期恒載包含現澆的混凝土和預應力鋼束的重量，取值為γ容重=26kN/m3；

②二期恒載包括橋面鋪裝和護欄系統,理論計算分析時考慮總容重為78kN/m。

(2)車輛荷載根據規范按公路-I級施加；并且考慮1.15倍的偏載作用；沖擊系數根據橋梁通規中相應公式計算取值。

(3)收縮徐變：混凝土的收縮徐變參數按混凝土設計規范進行，在程序中通過定義材料的收縮徐變參數來實現。

(4)溫度影響：

體系升溫：25℃；體系降溫：25℃；合龍段溫度15℃±3℃。

橋面板局部升降溫：

正溫度梯度：t1=14℃，t2=5.5℃

負溫度梯度：t1=-7℃，t2=-2.75℃

(5)基礎變位影響:主墩基礎和邊跨支座沉降按10mm取值。

(6)靜風作用：橋址區風速取值按24.5m/s考慮。

2.2 上部構造設計

本橋主橋為全預應力單箱單室結構，配置了縱、橫、豎向預應力鋼束；主橋結構采用變高度設計，主橋墩頂0號梁段梁高為7.2m，邊跨現澆段箱梁高度為2.6m，中跨跨中合龍段箱梁高度為2.6m，中間按1.8次方變化；箱梁頂部寬度為11.25m，底部寬度6.5m；為了充分發揮連續剛構結構材料特點，主梁頂、底板以及腹板均采用變厚度設計，具體設計參數如下：腹板f1=50∶90cm、底板b1=35∶100cm，見圖2、圖3。主橋梁端支承段為130cm，合龍段寬度為2m。

圖2 跨中截面

圖3 支點截面

2.3 下部構造設計

雞公嶺大橋主橋橋墩由于墩高達到150m，為保證其強度、剛度和穩定性滿足受力要求，橋墩采用空心薄壁結構，設計的截面形式為空心八邊形箱型斷面(見圖4)，橋梁墩頂橫向寬6.6m，順橋向寬3.0m；由于墩高較高，考慮到上部結構以及墩身自重及橋梁穩定性方面的考慮，每肢薄壁墩橫橋寬度沿墩高按照角度0.01°進行加寬至墩底截面，墩頂處截面形式見圖4。

圖4 主墩截面形式

3 主橋靜力計算

采用MidasCIVIL 2017對雞公嶺大橋連續剛構主橋進行縱向整體計算分析。上構箱梁共劃分為271個單元，下構橋墩共劃分為285個單元，結構有限元模型見圖5。

圖5 結構有限元分析圖

3.1 主梁持久狀況承載能力驗算

主梁在持久狀況承載能力極限狀態下的應力云圖見圖6、圖7。

圖6 最大負彎矩承載能力極限狀態

主梁正截面抗彎承載能力驗算見圖8。

圖8 抗彎承載能力驗算

主梁斜截面抗剪承載能力驗算見圖9。

圖9 抗剪承載能力驗算

計算結果表明，主梁的抗彎、抗剪承載能力均符合混凝土設計規范規定。

3.2 主梁抗裂驗算

(1)本橋主梁為三向全預應力構件，在短期效應組合下正截面上、下緣應力包絡圖見圖10。

圖10 短期效應組合正截面應力包絡圖

由圖10可知，主橋箱梁根部上緣最小1.57MPa，主橋箱梁墩頂上緣最小為3.09MPa，箱梁跨中下緣最小為3.27MPa。各部位最小應力均滿足相關技術規范對正截面抗裂的要求。

(2)持久狀況下箱梁正截面法向壓應力驗算

各單元截面上、下邊緣混凝土的壓應力分布見圖11。

圖11 正截面混凝土法向壓應力

計算結果表明，主梁混凝土壓應力σ壓應力=12.89MPa<17.75MPa(規范限值)。

(3)預應力鋼束的應力驗算

查看預應力鋼束單元的應力情況可知，σ拉應力=1189MPa<1209MPa(規范限值)，符合規范規定。

(4)撓度驗算

主梁撓度計算根據規范條文進行計算，結構產生的長期撓度值為42mm，小于規范規定值L/600=166.7mm，滿足相關規范對撓度的要求。

3.3 下部構造結構計算

(1)持久狀況承載能力驗算

2號主墩墩高144m、3號主墩墩高155m，下部構造橋墩基本對稱，選擇相對較高的3號橋墩為計算對象。其持久狀況承載能力包絡圖見圖12。

圖12 承載能力彎矩圖和應力圖

持久狀況承載能力驗算結果表明，3號雙肢薄壁墩各單元截面的承載力均達到相關規范的規定。

(2)正常使用極限狀態抗裂驗算。

主橋2個主墩墩身在正常使用極限狀態下的最大裂縫計算結果表明，2號主墩受力最不利，最大裂縫為0.16mm，滿足規范裂縫限值0.2mm的要求。

4 穩定性驗算

采用Midas2017進行全橋穩定性驗算分析?？紤]到橋墩在施工過程中的最大懸臂狀態和成橋合龍狀態受力最為不利，分別建立這兩種狀態的計算模型。

4.1 最大懸臂階段穩定性分析

連續剛構橋施工階段的穩定性驗算，即驗算最大懸臂狀態的穩定性，本橋選取最高的右幅3#墩，驗算的荷載包括施工荷載、風荷載等，并且考慮兩端梁段自重差(左側增加4%,右側減少4%)，掛籃不平衡重(掛籃重800kN)、掛籃突然墜落(產生彎矩3000kN·m)，以及風荷載等。

3號主墩施工最大懸臂階段橋墩的穩定驗算結果見圖13、圖14。

圖13 一階振型圖

圖14 二階振型圖

驗算結果表明施工過程最大懸臂階段主墩一階為縱向失穩，特征值系數為8.81；二階為橫向失穩，特征值系數為13.58。

4.2 成橋階段穩定性分析

成橋時橋上的荷載有結構自重作用、車輛作用及靜風作用，并考慮溫度、混凝土收縮及高墩不均勻沉降影響等，屈曲分析的前四階模態見表1。

表1 橋梁屈曲模態

驗算結果表明本橋施工最大懸臂階段和成橋階段穩定性均滿足一類穩定安全系數不小于4的要求，結構具有較好的穩定性。

圖15 一階穩定模態

5 結束語

隨著我國高等級公路路網的不斷加密，不斷向偏遠山區推進，高墩大跨連續剛構橋梁將會建設得越來越多。以雞公嶺大橋為例，擬定了上下部結構構造和尺寸，采用常用的有限元程序進行了主橋靜力計算和高墩穩定性分析，實際上是介紹了連續剛構這種橋型的結構設計與分析的方法和內容，為今后同類工程提供參照。