單“T”型連續剛構橋矮墩截面形式對結構受力的影響分析

李文治 廖然

連續剛構是將“T”型剛構和連續梁結合在一起的結構體系，該體系主墩底部所承受的彎矩、主梁梁體內的軸力隨著墩高的增加而減小，即連續剛構體系的受力特性與主墩的抗推剛度密切相關。所以，該類型結構常見于墩高較高的橋梁中。由于某些工程存在特殊情況，在墩高較矮的情況下，又需要采用連續剛構的橋型形式，因此，對矮墩連續剛構橋的受力特點進行分析有著重要的意義。

國內對于連續剛構橋，在墩身較矮的情況下如何減小順橋向抗推剛度進行了一些研究。區別于普通的連續剛構，本文所研究的單“T”型剛構可以看做連續剛構的一半。通過對單“T”型連續剛構的不同形式的矮墩結構受力進行分析和探討，可以為往后類似橋梁提供參考。

一、工程概況

浙江省溫州市某工程橋梁上跨溧寧高速公路，單幅橋寬16.75m。根據溧寧高速現狀路基寬度25.5m，并考慮遠期拓寬至41m（雙向八車道）需要，同時溧寧高速一側為高邊坡。為減小對高速公路運營的影響，本橋采用70m+70m單“T”型連續剛構。

主梁采用C55混凝土，采用單箱雙室箱梁，箱梁根部支點處梁高6.3m，邊跨支點處梁高2.4m，梁底曲線為1.8次拋物線。箱梁頂板寬度16.75m，底板寬11.55m，懸臂長度2.6m。

主墩墩高14.234m，墩身采用雙肢薄壁墩，雙肢間距6m，墩身尺寸橫向寬同箱梁底板為11.55m，縱向一個薄壁墩寬1.5m，順橋向墩頂設置50×100cm倒角。

二、矮墩連續剛構橋主墩形式的研究

連續剛構橋梁其主墩的剛度直接影響主梁墩頂的受力情況。因此，根據以往的工程經驗，為適應結構由預加力、混凝土收縮徐變和溫度變化所引起的縱向位移，減小水平位移在墩中產生的彎矩，連續剛構橋墩身設計應在滿足抗壓和穩定的條件下，盡量減小墩身抗推剛度。影響剛度的參數主要有2個：一是墩身高h，二是墩身截面慣性矩I。其中，墩身高h對剛度的影響最為明顯。

本案例橋梁由于條件的受限，無法通過墩身的高度來減小剛度，因此，減小墩身截面慣性矩I值是改善橋墩剛度的最好措施。同時，橋墩的強度與其自身的抗彎剛度息息相關，抗彎剛度與截面慣性矩I值成正比。因此，橋墩設計時如何平衡抗彎剛度與抗推剛度成為研究的主要目的。

本文在其他外部因素相同的情況下，選擇實心矩形單墩、空心薄壁墩和雙肢薄壁墩3類截面形式進行對比研究，同時針對雙肢薄壁墩，采用4m、5m、6m這3種不同間距的墩身分析截面的性能。具體墩身截面見圖1。

圖1 三類主墩截面（單位：cm）

1. 不同橋墩順橋向抗彎剛度的對比

由于橋墩的抗彎能力與其截面的慣性矩成正比，因此，只要對比慣性矩的大小，即可得知各類型橋墩的抗彎能力。

當主墩為實心矩形單墩截面時，其順橋向慣性矩為：

當主墩為空心薄壁墩截面時，其順橋向慣性矩為：

當主墩為雙肢薄壁墩截面時，其順橋向慣性矩為：

式（1）—（3）中：B為墩身橫橋向寬度；H為墩身順橋向寬度；b為空心墩內腔橫向寬度；d為雙肢薄壁墩墩身間距。

將各墩參數代入公式計算得到：

表1 不同橋墩順橋向慣性矩對比

空心薄壁墩和雙肢薄壁墩截面積與實心矩形墩相比下降了44.4%和60%，但其抗彎剛度僅分別下降了16%和47%。而對于雙肢薄壁墩，墩間距越大抗彎剛度越大。由此可見，空心薄壁墩和較大間距的雙肢薄壁墩均能較好地抵抗施工過程中的不平衡彎矩。

2. 不同橋墩順橋向抗推剛度的對比

根據順橋向抗推剛度公式：

表2 不同橋墩順橋向抗推剛度對比

由上表可以看出，空心薄壁墩的抗推剛度與實心矩形單墩相差不大，而雙肢薄壁墩抗推剛度僅為實心矩形單墩的1.6%。作為矮墩連續剛構橋，顯然雙肢薄壁墩能更好的適應由主梁受溫度和收縮徐變引起的次內力。

三、不同形式主墩對橋梁結構受力的影響

1. 模型的建立

利用有限元軟件Midas Civil（2020）建立橋梁模型，對橋梁結構受力進行分析。全橋共劃分為74個單元，81個節點。結構離散圖（主墩采用雙肢薄壁墩）如下圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型

本橋1#橋墩承臺置于中風化層，地質條件較好，認為不考慮樁土效應是偏安全的，因此在墩底設置固結，其余參數按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）取值。

2. 對主梁受力的影響

橋墩形式不同主要對墩頂主梁的內力有一定影響，其次雙肢墩的間距大小導致主梁計算跨徑發生變化，因此對主梁跨中受力也有影響。本文通過不同橋墩形式對比在承載能力極限狀態基本組合作用下，下主梁彎矩以及正常使用極限狀態頻遇組合作用下的頂底應力，分析橋墩形式對主梁受力的影響，計算結果見表3。

表3 主墩截面形式對主梁的影響

由表3可以看出，⑤號截面與①、②號截面對比由于其截面墩身剛度小，能夠有效傳遞墩頂負彎矩，因此，墩頂彎矩較①、②號截面小。⑤號截面對比③、④號截面，由于其墩身間距大，導致主梁計算跨徑變小，因此，其彎矩也較③、④號截面小。而對于支點處頂底緣應力，由于兩側對稱并只有一個橋墩，因此，其大小主要由主梁的截面和預應力控制，墩身截面的變化對其影響很小。

3. 主墩自身受力的情況

對于單“T”型連續剛構橋，在沒有水平荷載作用下，如果橋墩采用單墩形式，預加力、混凝土收縮徐變和溫度變化對主墩的內力影響較小，橋墩彎矩主要由梁扭轉產生，因此，分析主墩受力時應對雙墩和單墩進行區分。通過表4在承載能力極限狀態基本組合作用下，對比不同墩身截面對主墩軸力和彎矩的影響。

表4 主墩截面形式對主墩受力的影響

①、②號截面均為單墩形式，①號截面其墩身產生彎矩相對②號截面大了3.6%，這點從側面反應出不同墩身截面抗彎剛度對彎矩的影響。而墩身軸力主要由于①號截面面積比②號截面大，因此軸力有所不同。

③、④、⑤號截面雙肢墩間距變大，墩身彎矩按約7%的增量逐漸增大，而墩身軸力按約1.2%遞減。由于雙肢墩間距越大，其抗彎剛度越大，因此在相同受力情況下其彎矩也越大，軸力則與彎矩成反比。

由于橋梁墩高較矮，上部主梁采用掛籃懸臂澆筑施工時，施工和成橋運營階段失穩的風險均較小。經驗算，采用⑤號截面時，在成橋、最大雙懸臂、裸墩（+0#塊）狀態下彈性屈曲的結構穩定安全系數富余量很大，而其余截面在相同受力的情況下穩定安全系數均大于⑤號截面，因此本文不再贅述橋墩穩定性的分析。

四、結語

本文以某工程70m+70m連續剛構橋梁為背景，利用Midas Civil（2020）軟件建立空間有限元模型，在上部結構和外荷載不變的情況下，對不同類型的橋墩截面進行空間受力分析對比，并得出以下結論：

（1）對于單“T”型連續剛構矮墩橋梁，雙肢截面能夠有效減小主墩的剛度，有利于優化主墩的受力。

（2）墩身截面的剛度對主梁彎矩有一定影響，但對主梁的應力影響較小，同時可以通過加大雙肢墩間距，優化主梁墩頂處的受力。

（3）單“T”型連續剛構橋梁，其由預加力、混凝土收縮徐變和溫度變化所引起的次內力對主墩影響較小，因此主墩形式的變化對主梁應力影響較小，這點區別于3孔連續剛構橋梁。

（4）主墩的剛度與墩身彎矩成正比，與墩身軸力成反比。