橋墩剛度變化對大跨徑連續剛構橋梁的內力影響研究

陳大江

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

大跨徑連續剛構橋能夠適應各類復雜的地形條件，具備較好的抗彎、抗扭、整體穩定及經濟性，隨著我國基礎建設的蓬勃發展，該類橋梁越來越多地被運用于各類公路橋梁的建設中[1，2]。研究表明，橋墩的抗推剛度是大跨徑連續剛構橋的關鍵性受力影響因素之一[2-5]。

隨著墩身剛度的改變，橋梁結構上下部結構的受力及總體穩定性均會產生一定的變化。為降低橋墩剛度對結構受力或總體穩定的不利影響，對于高墩橋梁，往往采用抗推剛度相對較大的箱型空心墩；對于墩高較矮的橋梁，一般采用抗推剛度較小的雙肢薄壁墩[6，7]。主梁對橋墩剛度的約束影響，主要采用以下兩種計算模式[2，6]，如圖1所示。

圖1 橋墩剛度計算模式圖

圖1中的模式一適用于上部結構對墩身轉角約束較大時的情況，模式二適用于上部結構對墩身約束較小時的情況。兩種模式均受到主梁的部分水平約束，且假定墩與基礎固結。針對大跨徑連續剛構橋梁，主梁的剛度一般較大，主要采用模式一的計算方式。文章以某180m主跨跨徑的連續剛構橋為研究對象，以模式一作為理論支撐，同時考慮上部結構的聯合作用，研究墩身剛度的變化對結構的內力影響，得出一般性結論，可為類似橋梁的計算及設計提供參考。

1 工程概況及總體模型

某連續剛構橋總體跨徑布置為(100+180+100) m，橋面寬度13.75 m，主梁采用變截面單箱單室結構，根部梁高11 m，跨中梁高4.2 m，梁高呈二次拋物線變化，橋墩采用雙肢薄壁固結墩體系，如圖2所示。

圖2 主梁截面(單位：cm)

由于項目的縱坡及防洪等專題需要，橋墩高度設置為26 m。研究表明，隨著大跨徑連續剛構橋墩高的增加，其剛度逐漸變小，對上部結構內力及整體穩定性的影響均呈現一定的規律性[2-7]。為單純反應橋墩截面剛度變化的影響，文章不再對墩高變化進行研究，僅研究墩身不同截面尺寸及間距的影響。

依據平截面假定理論基礎，建立總體計算模型，如圖3所示。主梁及主墩分別按全預應力混凝土構件及普通鋼筋混凝土進行分析，承臺底部進行固結處理。為了準確判定墩身剛度變化對結構的受力影響，設置以下兩種工況分別進行研究，即：

圖3 橋梁結構計算方案及計算模型

(1)方案一：H暫定為8 m不變，D分別取值為1.6m、1.8m、2.0m。

(2)方案二：根據方案一，選擇最優D值不變，H分別取值8m、8.5m、9m。

2 計算結果分析

通過前述的理論研究，結合橋梁的總體特征，通過對不同方案計算，分別得出各自對應的墩身抗力、裂縫、總體穩定性及上部受力狀況，對比分析后尋找其變化規律，最終得出一般性結論。

方案一:H暫定為8 m不變計算，3種D值的計算結果見表1。

表1 方案一計算結果表(H=8)

由表1中的計算結果可知，三種方案的計算結果均滿足規范要求。隨著墩身厚度的增加，橋墩總體剛度變大，其墩身截面的抗力有所增加，結構的總體穩定性也有一定的改善。但裂縫會隨著橋墩墩身厚度的增加而增加，不利于橋墩使用性能及耐久性，對上部主梁結構也會增加其應力包絡峰值，降低其應力儲備及安全性，綜合考慮后，本例可選擇截面相對較小的方案(即D=1.6m)。

方案二：選擇方案一的最優D值1.6m不變，選擇3種不同的H值進行計算，其計算結果見表2。

表2 方案二計算結果表(D=1.6m)

由表2中的計算結果可知，三種方案的計算結果均滿足規范要求。隨著雙肢薄壁墩墩身間距的增加，橋墩總體剛度變大，結構的總體穩定有所增加，但其墩身截面的抗力基本保持不變。墩身裂縫會隨著橋墩墩身間距的增加而增加，不利于橋墩使用性能及耐久性，對上部主梁結構同樣會增加其應力包絡峰值，降低其應力儲備及安全性。綜合考慮后，本例可選擇墩身間距為8m的方案。

3 結 論

(1)隨著橋墩截面或雙肢間距的增大，橋墩自身剛度及結構的總體穩定性均會有所增加。從結構自身剛度考慮，其結果趨向于有利；從結構自身強度考慮，增大截面面積會有明顯的結果，但增加墩身間距對其影響不大。

(2)橋墩自身剛度的改變對上部結構的受力同樣會產生一定的影響。隨著橋墩截面或雙肢間距的增大，其主梁的最大壓應力有所增加，最小應力儲備也會隨之減少。與此同時，橋墩截面的裂縫會隨著其自身剛度的增加而變大。因此，從墩身裂縫控制及主梁應力方面考慮，其結果趨向于不利。

(3)在橋墩高度保持不變的情況下，為使得結構總體受力合理，應對不同的橋墩尺寸進行充分計算，充分考慮各種有利及不利的影響，權衡利弊后選擇合理的尺寸方案。