預應力混凝土連續剛構橋跨徑組合設計方案對比研究

楊帥

摘要：文章以某預應力混凝土連續剛構橋為研究背景，運用Midas Civil軟件建立橋梁有限元計算模型，針對不同跨徑組合方案的連續剛構橋展開了受力與變形分析。研究結果表明：（1）隨著邊中跨比的增加，連續剛構橋的主梁彎矩、剪力以及豎向位移均逐漸增大，而軸力隨之逐漸減小;（2）跨徑布置對橋梁結構的受力及變形影響較大，不同跨徑組合方案中對稱跨徑組合的主梁受力及變形比較均勻合理，而不對稱跨徑組合則比較復雜;（3）在地形地質復雜情況下，不對稱連續剛構橋應盡量選用較小邊中跨比形式的跨徑組合，以保證橋梁的安全及穩定性。

關鍵詞：連續剛構橋;跨徑組合;彎矩;軸力;豎向變形

中圖分類號：U442.5⁺4 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.036

文章編號：1673—4874（2020）11一0133-04

0引言

由于預應力連續剛構橋具有行車舒適、施工方便、跨距較大、造價較低等優點，故在我國山區公路橋梁工程建設中得到了廣泛的應用。一般情況下預應力連續剛構橋的跨徑采用對稱布置形式，以保證橋梁結構的受力均衡合理，但在實際工程中橋梁的跨徑布置會受到地形地貌、通航等條件的限制，使得一部分橋梁設計不得不選擇不對稱跨徑的組合方案。不對稱連續剛構橋的內力及變形必然存在較大差異，由文獻可知，邊中跨比不協調會使得橋梁結構的應力及撓度不易控制，從而給橋梁結構安全性穩定性帶來嚴重影響。

近年來，國內學者在不對稱連續剛構橋方面進行了較多研究，如趙進鋒等__6]通過對不同邊中跨比的連續剛構橋進行動力特性對比分析，得到跨徑不對稱橋梁結構的橫橋向自振特性影響明顯的結論;趙劍等研究了不對稱連續剛構橋腹板崩裂的成因及處治方法;荊友璋探討了跨徑不對稱預應力混凝土連續剛構橋的設計思路與方法。本文以某預應力混凝土連續剛構橋為研究背景，運用Midas Civil軟件建立橋梁有限元計算模型，針對不同跨徑組合方案的連續剛構橋進行受力與變形分析，以期為同類連續剛構橋梁的跨徑布置設計提供參考與借鑒。

1工程背景

以某三跨預應力混凝土連續剛構橋為研究背景，該剛構橋全長為290m，跨徑布置為（75+140+75）m，主梁采用單箱單室變截面箱梁，其中根部和跨中梁高分別為6.8m、3.2m，高跨比為1/20.6、1/44，梁底下緣按1.6次拋物線變化。下部結構左右橋墩均采用雙柱式矩形截面空心墩，墩身高度為24m，雙柱間凈距為4.2m，橋墩橫橋向寬度和順橋向厚度分別為1.6m、7.2m，橋墩基礎為鉆孔灌注樁。主梁和主墩均采用C50混凝土，承臺及樁基則采用C30混凝土。橋梁設計荷載為公路-I級，設計車速為40km/h。橋型布置如圖1所示。

2有限元模型

通過采用Midas Civil軟件建立連續剛構橋的計算模型，模型坐標系中假設X、y、Z分別為橋梁的縱、橫、豎方向，主梁和橋墩均采用三維梁單元進行模擬，該連續剛構橋三維計算模型具體如圖2所示。模型中對承臺底部進行固結約束，對外側兩橋臺的橫、豎橋方向均進行約束，跨中兩橋墩與主梁、承臺采用剛臂進行連接，材料參數如表1所示。全橋一共劃分為151個節點，146個單元，計算荷載參數取值如下：

（1）恒載：一期恒載為橋梁結構的自重;二期恒載為橋面鋪裝、防撞護欄、人行道及欄桿等，荷載取值67kN/m。

（2）汽車荷載：公路一I級;人行道均布荷載取tA2.5kN/m²。

（3）溫度荷載：整體升溫為24℃，整體降溫為-18℃。

（4）溫度梯度：按《公路橋涵設計通用規范（JTGD60-2015）》標準進行取值。

（5）風荷載：基準風速取25m/s。

（6）收縮徐變：按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（JTGD62—2004）》標準進行取值。

（7）基礎沉降：各支座均考慮5mm沉降。

3連續剛構橋跨徑組合方案對比分析

為探討不同跨徑組合設計方案對預應力混凝土連續剛構橋受力及變形的影響，本文在保持原橋全長的基礎上，以原剛構橋對稱跨徑（75+140+75）m為基準，通過改變橋梁的邊中跨比，設計了（80+135+75）m、（85+130+75）m、（90+125+75）m、（95+120+75）m四種不對稱跨徑組合作為研究對象，即邊中跨比由O.54增至0。79，模擬過程中分別選取一跨1/4L、一跨跨中、支點處、二跨1/4L、二跨跨中、二跨3/4L、支點處、三跨中、三跨3/4L作為計算截面的位置，針對不同跨徑組合方案下的預應力混凝土連續剛構橋進行受力與變形分析。

3.1連續剛構橋的受力對比分析

3.1.1主梁彎矩

通過對不同跨徑組合方案情形下的連續剛構橋主梁彎矩進行有限元計算分析，得到橋梁結構在承載能力極限狀態下的彎矩變化規律如圖3所示。

由圖3可知，在承載力極限狀態作用下，連續剛構橋的主梁彎矩變化大致與邊中跨比成正比例關系。各跨徑組合方案中，連續剛構橋中一跨1/4和左、右兩側支點處彎矩值變化較為明顯，其中一跨1/4和左側支點處彎矩值均逐漸增大，而右側支點處的彎矩值則逐漸減小;橋梁結構中左側支點處的彎矩值增大了35%，右側支點處的彎矩值減小了24%，左側橋墩頂處彎矩隨著邊跨比的增加而增大，說明在各跨徑組合方案中邊中跨比越小橋梁的主梁彎矩變化越為均勻。

3.1.2主梁剪力

通過對不同跨徑組合方案情形下的連續剛構橋主梁剪力進行計算分析，得到橋梁結構在承載能力極限狀態下的剪力變化規律如圖4所示。

根據圖4可知，在承載力極限狀態組合作用下，各跨徑組合方案中僅連續剛構橋左、右兩側支點處的主梁剪力變化表現較為明顯，而其余截面處剪力變化相對較小，其中左側支點處剪力值隨著邊中跨比的增大而逐漸增大，而右側支點處的剪力值則隨之逐漸減小;在橋梁跨徑組合為（75+140+75）m時，左、右兩側支點處的剪力值分別為44025kN、-51712kN;在跨徑組合為（95+120+75）m時，左、右兩側支點處的剪力值分別為55911kN、-42341kN，左側支點處的剪力值增大了27%，右側支點處的剪力值減小了22%，說明選擇較小邊中跨比能夠使連續剛構橋的主梁剪力更為均勻。

3.1.3主梁軸力

通過對不同跨徑組合方案情形下的連續剛構橋主梁軸力進行有限元計算分析，得到橋梁結構在承載能力極限狀態下的軸力變化規律如圖5所示。

由圖5可知，在承載力極限狀態作用下，各跨徑組合的主梁軸力沿橫橋向均呈“w”型對稱分布。各跨徑組合方案中，一跨和三跨各截面的軸力變化較小，而二跨與左右支點處各截面的軸力變化則較為明顯，其中跨徑組合為（75+140+75）m時，二跨中與左右兩側支點處的軸力值分別為-5500kN、-9854kN、-9797kN;跨徑組合為（95+120+75）m時，二跨中與左右兩側支點處的軸力值分別為-573kN、-4125kN、-6016kN。根據主梁軸力變化曲線可知，隨著邊中跨比的增大，連續剛構橋的主梁軸向拉力呈逐漸增大變化，而其軸向壓力則與之相反。

3.2連續剛構橋的變形對比分析

通過對荷載短期效應組合作用下的剛構橋主梁豎向位移進行計算分析，得到不同跨徑組合的主梁豎向位移如圖6所示。

根據圖6可知，在荷載短期效應組合作用下，各跨徑組合方案中僅一跨的豎向位移變化表現比較明顯，其中當跨徑組合為（75+140+75）m時，一跨1/4截面處的豎向位移為48mm，一跨中的豎向位移為36mm;而當跨徑組合為（95+120+75）m時，一跨1/4和一跨中截面處的豎向位移分別為74mm、62mm，較前者分別增加了54%、72%。由此可知，在連續剛構橋中邊跨的豎向位移增幅隨著邊中跨比的增大逐漸增大，中跨的豎向位移則逐漸減小。

4結語

本文以某三跨預應力混凝土連續剛構橋為研究背景，通過借助Midas Civil有限元軟件對不同跨徑組合方案的連續剛構橋展開了受力與變形分析，可得到以下結論：

（1）連續剛構橋的主梁彎矩、剪力以及豎向位移均隨著邊中跨比的增加逐漸增大，而軸力隨著邊中跨比的增加逐漸減小。

（2）跨徑布置對橋梁結構的受力及變形影響較大，不同跨徑組合方案中對稱跨徑組合的主梁受力及變形比較均勻，而不對稱跨徑組合主梁受力及變形較為復雜。

（3）在地形地質復雜的情況下，不對稱連續剛構橋的跨徑布置應盡量選用較小邊中跨比形式的跨徑組合，以保證橋梁的安全及耐久性。