水平底板索連續剛構設計關鍵參數研究

胡衛東

甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司 甘肅 蘭州 730030

連續剛構橋指主梁與墩身固結的連續梁橋，連續剛構結合了T形剛構在懸臂施工中保持體系平衡、有效利用橋墩的結構潛能的優點，又吸取了連續梁橋在整體受力上能承受正、負彎矩的優點，所以在工程實踐中得到廣泛的應用。

傳統的連續剛構橋梁底板多為二次或多次凸形拋物線，為追求結構形式的輕盈效果，中跨跨中截面高度往往很小，在后期運營過程中會出現不同程度的跨中下撓以及跨中底板崩裂破壞。并且過大的下撓會使車輛在通過橋梁時發生跳車現象，增加車輛荷載對橋梁的沖擊作用，危害結構安全。

近年來，大量已建成大跨度連續剛構出現持續下撓的情況，于1955年建成通車的黃石大橋（162.5m+3×245m+162.5m連續剛構）通車7年后測得跨中最大下撓30.5cm；1997年建成通車的虎門大橋航道大橋（150m+270m+160m連續剛構）通車6年后測得跨中最大下撓22.2cm；。每座連續剛構橋梁都是投資巨大，后期的加固處置不僅費用不菲且無法從根本上解決問題，對橋梁結構安全以及行車舒適度造成很大的影響。

傳統的大跨徑預應力混凝土箱梁橋普遍存在主梁下撓過大的問題，長期以來，將此問題歸因于混凝土收縮徐變、預應力、施工方法等因素。通過多次研究表明，以上幾個因素對長度撓度的影響十分有限，基于此，從構造入手，探究構造因素對長期撓度的影響。

為此，吳國松等人提出了一種底板索水平布置預應力混凝土變截面箱梁橋，將箱梁內跨中底板相應梁高的位置縱向設置水平錨固板，在跨中L/2截面至3L/8截面區段，水平錨固板和箱梁 底板融為一體。具體布置方式見圖1。

圖1 跨中底板索布置方式

對常見的幾種大跨度梁橋立面形式進行對比可知，傳統形式連續剛構（以下簡稱連續剛構）的梁體跨中高度最小，T形剛構和連續鋼桁架的梁高變化方式比較相近，且跨中截面高度均要大于連續剛構，而水平底板索連續剛構的立面線型則是更多的參照T形剛構。橋型對比見圖2。

圖2 常見大跨度梁橋結構形式對比

1 受力分析

取跨中梁段進行局部受力分析，傳統連續剛構跨中底板索沿底板線型與底板呈平行布置，根據力的疊加原理，可得，跨中處底板預應力最大，且沿邊跨方向逐漸減小。

取跨中底板束某一節段進行分析，將鋼束張拉力沿水平方向和豎直方向進行分解。水平分力可以為梁體提供需要的預應力，提高結構剛度，但是豎向分力為無用分力，且無其他力進行抵消。

對跨中底板索段進行整體受力分析，將徑向分力簡化成跨中底板索段受到的徑向力，可以發現，均布徑向分力作用區間、作用方向與梁體下撓方向和下撓位置基本一致。同時徑向力產生的初始變形向下，加劇箱梁下撓。

2 徑向力量化分析

底板縱向鋼束完全沿底板曲線行走將導致較大的徑向力，任意點徑向力分力幾度q=T/R,其中T為該點有效預應力，R為該點曲率半徑。

對該橋采用傳統設計參數確定底板變化形式，假定梁高變化采用1.5次拋物線，跨中梁高3m，支點處梁高9m，則梁高變化曲線為

利用MIDAS Civil建立建立橋梁模型，提取中跨在跨中底板索作用下的豎向位移。

由圖3可以看出，跨中底板曲線設置的連續剛構橋位移明顯大于跨中底板水平設置，最大相差15%，由此可見跨中底板水平設置方式更優。

圖3 底板索徑向力作用下的位移

3 水平底板索水平段長度的確定

水平底板索技術的關鍵參數有：等截面水平段長度、等截面水平段高度、水平段與曲線段的過渡方式。假定跨中梁高為4m，根據主孔跨徑及階段劃分長度，本橋的跨中底板索設置長度宜為58m，其中跨總合龍段為2m，按照單側水平段個數進行區分，考慮到剛度原因及構造原因，可選擇個數為3、4、5，即確定為26m、34m、42m進行對比。

新莊壕大橋箱梁高度方程：

其中h中為跨中水平底板段梁高，l中為跨中水平底板段長度，x原點在跨中水平底板段端部。

調整等梁高段長度與箱梁高度方程，分別建立有限元模型。在連續剛構橋的計算中，主要控制因素是應力，同時考量本文主要研究的位移控制，從應力和位移兩個維度去比較跨中水平底板段的設置。

分別建立跨中水平段長度分別為26m、34m、42m的連續剛構有限元模型，得到中跨在基本組合工況下的板底豎向位移，見圖4。

圖4 不同水平段長度時的豎向位移（單位：mm）

得到中跨在不同水平底板長度時的底板最大組合應力，見圖5。

圖5 不同水平段長度時的最大組合應力（單位：MPa）

由以上三種不同水平段長度的分析結果可知：

1）對比中跨最大位移值，跨中水平段長度為34m的中跨底板豎向位移最大值最小；

2）對比中跨最大組合應力值，組合應力在絕大部分節段內數值變化不大，在等截面和變截面交界處變化較為明顯，且隨著跨中水平段長度的增大而增大。跨中水平段長度的變化，在一定范圍內能夠提高組合應力的最大承載能力，但是當超過一定的限值后，變化趨勢成負相關。因此在設計中，既要減小突變處的應力，又要增加跨中最大組合應力，所以水平段的長度應適當選取，結合組合應力變化，跨中水平段長度為34m的設置方式更優。

4 結論

通過對傳統連續剛構橋跨中底板索的的受力分析，底板索的徑向分力是造成梁體下撓的主要原因，通過對比有無徑向力的計算結果，可知水平底板索連續剛構橋能夠在根本上解決跨中底板索徑向力對跨中下撓的影響，但是跨中等梁高段的長度、高度等參數還是要根據跨徑、節段長度等綜合考慮試算得出，保證在滿足受力的前提下盡可能優化結構，提高構造合理性。

1）從豎向位移上看，不同水平段長度變化大致相同，但是由于水平段長度不同，豎向位移達到最大值的位置也不同，其中34m的連續剛構最大位移絕對值最小。不同水平段高度變化大致相同，隨著水平段高度的增大而增大，故不宜采用過大梁高。

2）從組合應力上看，不同水平段長度變化大致相同，變化主要表現在等截面和變截面的交界處，其中26m最小，42m最大。在支點處，26m時組合應力最大，所以水平段的長度應根據應力分布最優來設計，故長度選擇為34m。不同水平段高度的變化趨勢大致相同，但綜合考慮支點處和跨中處的組合應力，梁高選擇不宜太大或太小。