墩梁剛度比對高墩大跨連續剛構橋靜力性能的影響分析

郜保銀

（武漢綜合交通研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

近年來，由于我國交通運輸、科學技術的快速發展及西部地區建設的不斷深入，西南地區跨越高山峽谷的公路橋梁日漸增多。由于山區地質地形及地貌復雜多變，因此橋梁線形比較復雜，往往需要跨越深溝和峽谷，使得山區公路橋梁建設需集曲線、高墩、大跨徑于一體，越來越多的高墩大跨度橋梁在復雜的高山峽谷地區的橋梁建設中應運而生。

高墩大跨徑剛構橋是一種特殊的連續梁橋，4項構造特點包括上部結構與一般連續梁橋一樣，整個結構連成一個整體，橋面平順，整體性好，行車更加舒適；橋墩高大而且一般采用薄壁墩，橋墩有較大的柔度，形成擺動支撐體系，可以有效減小結構次內力；由于橋墩和主梁固結在一起，為進行懸臂施工提供了有利條件，同時也無需再次更換支座；橋型美觀，且橋梁抗震性能優良，可以有效緩解地震動力的影響。

由于科技的進步和經濟的快速發展，公路橋梁的建設時間大大縮短，導致許多問題得不到有效解決或者來不及解決，本文討論的內容正是針對西部等復雜地形橋梁的“大跨徑”和“高墩”等地域性特點提出，合適的墩梁剛度比不僅能夠滿足整個橋梁結構的順橋向剛度，還可以有效改善橋梁上部結構的內力分布，充分挖掘混凝土和鋼材各自的力學潛力，使工程經濟指標更合理，并增大結構跨越能力。

一、工程概況與動力計算模型

（一）工程概況

塢家灣大橋主橋為三向預應力混凝土連續剛構橋，橋跨布置為58m+100m+58m。主橋上部結構為變高度箱梁，單箱單室截面，布置有橫向、豎向和縱向三向預應力；下部結構為矩形實心墩，基礎為群樁基礎，每個承臺下埋設有4根樁。

（二）靜力計算模型

靜力計算運用橋梁通用有限元軟件Midas/Civil建立塢家塆大橋的全橋梁單元模型。曲率半徑為750m，全橋結構簡化為187個節點和182個單元；主墩劃分為104個單元。主梁和主墩均采用邁達斯梁單元模擬，鋼束按施工圖紙的實際空間位置布置；橋梁承臺和樁基礎均沒有模擬，直接在墩底部做固結處理。

零號塊局部實體單元模型采用Midas/FEA建立，如圖2、圖3所示。零號塊模型采用自動實體網格劃分，模型共離散為36602個單元和9766個節點，其中包括兩個連接單元，混凝土和三向預應力鋼絞線分別使用3D實體單元和FEA鋼筋單元模擬。依據圣維南原理，結構所受荷載的具體分布形式只對離其作用區比較近的部位的應力產生影響，因此相對較遠部分的應力狀況可認為對零號塊空間應力的分布沒有影響。模型以零號塊及其相鄰的1號節段、2號節段和8m長的高墩作為分析對象，將Midas/Civil中得到的整體內力計算結果作為零號塊細部模型局部切開處的邊界條件，以集中力、彎矩和扭矩的方式加載到零號塊相應的端部截面質心處，以此求解零號塊局部的應力狀況。

圖1 橋梁結構有限元模型

圖2 零號塊局部有限元模型

圖3 三向預應力布置圖

二、靜力性能分析

（一）荷載工況及作用荷載值

工況一：自重+二恒+預應力鋼束荷載+墩頂最大負彎矩（所對應節點內力）

工況二：自重+二恒+預應力鋼束荷載+墩頂最大剪力（所對應節點內力）

從整體桿系模型中提取的內力結果，其作用點在相應截面的質心處。

（二）零號塊應力分析

在荷載工況1作用下，為清楚地顯示零號塊內部的應力情況，零號塊應力云圖采取順橋向剖分的斷面顯示，如圖4、圖5所示。

圖4 主拉應力云圖

圖5 主壓應力云圖

由圖4可知，零號塊頂底板和腹板及橫隔板處應力水平不高，比較均勻，絕大部分主拉應力值小于0.2MPa，滿足結構受力要求。

由圖5可知，零號塊主壓應力除橫隔板處應力水平較低外，其余部分應力分布比較均勻，主壓應力幅值為5.3MPa，滿足結構受力要求。

當墩梁剛度比以0.25、0.5、1、2、4的倍率變化時，分析不同墩梁剛度比對零號塊主應力幅值的影響規律，分析中通過改變材料的彈性模量來實現結構剛度參數的調整，不改變結構的截面特性。

由圖6可知，相應的主應力幅值均隨著墩梁剛度比的增大而減小，在墩梁剛度比小于1的范圍內變化比較劇烈，大于1之后漸趨平緩，且幅度相對較小，說明墩梁剛度比對零號塊主應力的應力幅值影響不明顯，在設計時可予以適當考慮。

圖6 墩梁剛度比對主應力幅值的影響

（三）墩頂截面剪力滯效應分析

在工況2作用下，首先利用Midas/FEA求得頂板的實際法向應力，然后利用橋梁通用有限元軟件Midas/Civil得到墩頂截面頂板的正應力，剪力滯系數。

根據公式計算得到墩頂斷面頂板25個計算控制點的值。

由計算可知，墩頂斷面頂板剪力滯效應比較顯著，斷面外側的值相對較小，其范圍為0.89～1.37，相比較而言，梁內側的剪力滯系數很大，剪力滯系數范圍為2.09～2.59。由此可見，混凝土箱形截面梁的剪力滯效應在高墩大跨連續剛構彎橋這種橋型中比較顯著，設計時應足夠重視，以免低估應力幅值造成箱梁的強度破壞。

當墩梁剛度比以0.25、0.5、1、2、4的倍率變化時，截面內外側值的最大值隨著墩梁剛度比的變化如圖7所示。

圖7 墩梁剛度比對剪力滯系數幅值的影響

由圖7可知，截面外側剪力滯系數幅值與墩梁剛度比成正相關，而內側的變化趨勢則剛好相反，隨著墩梁剛度比的變大而變小，且截面內側的幅值始終大于截面外側的幅值。

三、結語

塢家灣大橋主橋靜力分析計算結果表明，在荷載工況1作用下，零號塊主拉應力分布均勻，應力水平比較低，滿足規范要求，且有很大的安全儲備；在荷載工況2作用下，零號塊墩頂截面剪力滯效應比較顯著，相應的最大值為2.59。因此，大跨徑箱室結構的設計應該考慮應力不均勻的不利影響。

隨著墩梁剛度比的增大，零號塊第一、第三主壓應力幅值均慢慢減小，變化速率先快后慢，總之應力水平變化不是很大，說明墩梁剛度比對零號塊主應力水平影響較小，在設計時可以適當考慮。

隨著墩梁剛度比的增大，截面外側剪力滯系數幅值慢慢變大，截面內側幅值則慢慢減小，且變化區間均比較寬，說明墩梁不同的剛度比對零號塊墩頂截面處的剪力滯效應影響比較顯著，在設計同類型橋梁時應給予重視。

合適的墩梁剛度比不僅能夠很大程度地改善梁體的內力分布情況，還能充分發揮混凝土的受壓性能和鋼筋的受拉性能，其相關研究仍有很大的發展和應用空間。