大跨度公路橋梁結構設計分析

摘要 大跨度橋梁多建設在復雜地形、地質環境中，作為公路通行的主要基礎設施，在促進區域交通流銜接及產業發展方面發揮著重要作用。橋梁前期設計決定著結構運營的穩定及安全，針對大跨度橋梁設計結構分析能夠為后續橋梁建設成本控制及運維提供必要支撐。文章基于北京市某高墩大跨箱梁剛構橋進行結構設計要點分析，并采取Midas Civil有限元軟件進行結構自由振動特性研究。結果表明，第1階振型表現為豎彎+縱飄，順橋向墩底及墩頂位置容易出現較大塑性鉸，設計中需加強配筋；第2、3階振型均表現為橫彎，易產生橫向變形，結構橫向剛度需進行提升；結構高階振型對地震動豎向響應的影響較大。

關鍵詞 大跨度橋梁；結構設計；自由振動；振型

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0082-03

0 引言

大跨度公路橋梁能夠適應復雜地形的交通建設要求，具備造型美觀、交通流量大等優點。考慮不同地區交通荷載、技術實施等因素限制，實際多依據項目特點采取不同類型的大跨度橋梁結構進行施工，如大跨度拱橋、斜拉橋、懸索橋等。當前對大跨度橋梁結構設計施工理念及方法的研究相對欠缺，導致結構特性不清晰，施工成本額外擴大。開展大跨度橋梁結構設計策略研究能夠為后續施工提供必要指導，具有重要的社會經濟意義。

1 大跨度公路橋梁結構分類

1.1 大跨度拱橋

大跨度拱橋主要由鋼筋混凝土及石材施工而成，是最為常見的橋梁結構，拱橋主要適用于跨越寬度較小的溝壑、河道，其設計的最大跨度一般小于500 m，在復雜地形施工中難度較大。拱橋結構表現為超靜定體系，結構受力及變形情況較為復雜，結構剛度及施工順序對拱橋質量影響較大。結構設計中多采取有限元模擬軟件對結構力學特性進行分析，以提升關鍵結構的強度及抗變形能力，確保結構運營的穩定性。拱橋設計關鍵結構（拱肋、交叉支撐、橫梁、拱座等）的設計質量需要嚴格控制，如交叉支撐需要沿拱肋徑向設置，且保持寬度不變；當拱橋高度較高、采取鋼箱作為主要結構時，交叉支撐應布設在鋼箱處，支撐底板和縱向加強筋以保持位置協調[1]。

1.2 大跨度斜拉橋

大跨度斜拉橋主要布設在跨越河流、溝壑等復雜區域，設計跨徑一般控制在300～800 m之間。斜拉橋主梁提供彈性支撐力，一般采取鋼梁構造，需設置減震結構，索塔造型可采取Y形或V形。斜拉橋受力跨度小，主要采取斜拉索銜接主梁及索塔。作為柔性結構，斜拉索容易在荷載沖擊下出現明顯振動，需配備減震阻尼裝置，避免出現錨具損壞、引發橋梁的安全事故。

1.3 大跨度懸索橋

大跨度懸索橋是在兩側構建索塔作為錨固件，上部結構通過和懸掛纜索下垂吊桿連接形成固定的橋梁形式。為確保整體結構受力的合理性，橋面間隔、吊桿間需要加設加勁梁，盡量避免出現荷載過大而導致結構撓度出現超規情況，同時需要采取其他優化措施，如改善氣動外形抑制渦振、調整斷面設計參數等。大跨度懸索橋設計跨徑可超過1 000 m，適用于跨越江河、山區等地形環境，設計纜索時需分析結構的受力特性，合理確定纜索形狀；懸索橋邊跨、中跨、塔高之間的設計比例控制如下：塔高/跨徑小于0.25，0.2<邊跨/中跨<0.4[2]。

2 工程概況

北京市某新建公路大橋跨越河道，橋址建設地區的交通便利性較差，擬銜接于周圍二級公路，充分發揮區域車輛疏散及交通銜接作用。該橋梁設計為三跨連續剛構型式，上部結構對稱設計，設計跨徑為（60+120+60） m，立面設計如圖1所示。橋梁設計為雙向二車道，設計車速為40 km/h，橋面凈寬12 m，行車道設計寬度為2×3.75 m。橋面鋪裝層設計如下：SBS改性瀝青上面層（4 cm AC-13C）+SBS改性瀝青下面層（6 cm AC-20C）+0.2～0.4 L/m2雙層溶劑型防水黏層+混凝土橋面板。橋梁計算荷載如下：恒載設計為主梁恒重26 kN/m3、二期荷載50 kN/m3；活載為公路Ⅱ級。

3 結構設計

3.1 結構分析

主梁采取箱梁構造，截面為單箱單室，變截面設計，朱梁底部呈1.8次拋物線變化。主梁設計尺寸如下：底板、頂板的設計寬度分別為6 m、12 m，設計厚度分別為1.6 m、0.8 m；箱梁壁厚設計為1 m；主梁設計高度，跨中、根部梁高分別為3.3 m、7.1 m。根部及跨中1/2斷面設計如圖2所示。主梁設計截面物理性質如表1所示。橋墩則采取等截面空心薄壁墩，橋墩橫向、縱向設計寬度分別為7.5 m、7 m，橫、縱橋向壁厚均設計為1.2 m。1#～4#橋墩高度分別為52 m、95 m、94 m、53 m。為提升橋墩剛度，1#、4#橋墩內置1塊橫隔板，而2#、3#橋墩內置2塊橫隔板，橋墩及橫隔板截面的設計尺寸如圖3所示。橋墩基礎設計為嵌巖樁基礎，承臺厚度為4 m，鉆孔灌注樁設計直徑為1.8 m。

3.2 內力計算

全橋為對稱連續剛構，上部結構縱向設計采取全應力構件，橫向設計則采取部分預應力A類構件。橋梁內力計算需依據不同施工階段合理采取荷載組合，如預應力、施工荷載、撞擊力、溫度應力、支座沉降等，采取設計程序BCD進行結構受力分析，并依照極限強度理論進行不同關鍵截面的設計驗算。考慮橋梁在荷載作用下會出現畸變及翹曲，溫度變化對結構內力影響同樣不可忽視，橋梁需開展橫向框架的力學特性分析，對不同荷載組合下的局部溫差、畸變內力及變形幅度進行分析[3]。在主梁預應力損失計算階段，鋼絲松弛、管道摩阻、錨具回縮長度需按照技術規定進行計算，并分析負摩阻對回縮量的影響。施工荷載、徐變系數、混凝土齡期等參數在設計階段則采取常規值。

3.3 施工材料

3.3.1 混凝土

箱梁結構采用C50混凝土，10 cm現澆橋面板則采用C40混凝土，橋面鋪裝設計采用瀝青混凝土，墩柱、墩帽、防撞護欄及支座墊塊等結構采用C30混凝土，而基礎承臺、灌注樁、欄桿扶手等結構則采用C20混凝土。

3.3.2 預應力鋼絞線

結構預應力鋼絞線設計需滿足相關技術標準，采取高強度松弛鋼絞線，設計模量為1.95×105 MPa，標準強度為1 860 MPa。橋梁結構采取以下兩種直徑鋼絞線：主梁縱向結構采用公稱直徑為15.24 mm的鋼絞線；主梁橫向結構則采用公稱直徑為12.7 mm的鋼絞線。此外，預應力束均配備金屬波紋管道，錨具規格為OVM15系列，H形壓花錨適用于固定橫向預應力束，而YGM-25型錨具則適用于精軋螺紋鋼固定[4]。

4 結構自振特性分析

自由振動是橋梁結構動力特性研究的主要內容，結構自由振動是橋梁在沒有受到外部激勵環境下出現的振動現象，由結構自身初始加速度導致。橋梁結構自由振動表現有振型、頻率兩個關鍵參數，構建該橋梁的Midas Civil有限元模型進行動力分析，著重研究結構前10階的自振特性。

4.1 模型構建

Midas Civil有限元模型構建如圖4所示，其結構共包含158個單元，其中混凝土箱梁設計為80個單元、下部結構為78個單元。為簡化分析，主梁、主墩之間采取剛性連接，地基與橋墩兩者之間相互固結處理，而主梁與邊墩則采取支撐連接。主梁、橋墩均采取梁單元模擬，采用集中質量表征單元質量，梁單元劃分應反映結構的實際情況，地震響應計算采取時程分析法[5]。計算荷載時，應考慮結構自重、二期恒載及施加預應力，且模型不考慮樁-土-結構的相互作用。

4.2 結果分析

在模型計算階段，橋梁自振特性主要采取多重Ritz向量法進行計算。表2為模型前10階自振振型及頻率計算結果，依據抗震設計規范可知，結構地震響應采取多振型反應譜法進行分析時，振型不同方向上的質量貢獻率需大于90%，以確保抗震計算結果的精度[6]。為此，同樣對該橋梁結構分析前40階高階振型，獲取圖5所示前10階及前40階振型的參與質量。

表2結果表明，1階振型表現為反對稱豎彎+縱飄，考慮1#～4#橋墩高度較大，屬于高墩結構，具備較好的變形延性，振動頻率為0.36，橋墩墩底及墩頂位置容易出現較大的塑性轉角，設計階段需要對橋墩墩底及墩頂進行配筋優化，避免出現結構損壞。2、3階振型分別表現為對稱橫彎、反對稱橫彎，其橫向參與質量均相對較大，橋梁結構具備較低的橫向抗變形能力，容易出現較大的橫向變形。為此，在設計中應加強主梁及橋墩的橫向剛度[7]。

圖5結果表明，1階振型的參與質量作用在縱橋向，表現為縱向振動；2、3階振型參與質量作用在橫橋向，表現為橫向振動；前10階振型中，縱向振型累計參與質量為0.75，橫向振型累計參與質量為0.71，而豎向振型累計參與質量為0.04。前40階振型中，縱向參與質量為0.98，橫向參與質量為0.96，豎向參與質量則為0.92。由此可知，縱橫向振動和低階振型關聯較大，而豎向振動與高階振型關聯較大。前40階振型質量參與系數均超過0.9，滿足后續地震響應譜計算的精度需求。

5 結論

作為公路基礎建設的關鍵組成部分，大跨度公路橋梁具備交通運輸便捷、跨越性大、結構美觀等優點，普遍應用于河流、溝壑、山谷等復雜地形環境中。針對大跨度橋梁結構設計研究對于后續項目實施及成本管控的重要作用，橋梁設計階段需要綜合分析不同問題，并合理優化，以延長橋梁的使用壽命。該文依托北京市某三跨連續剛構橋進行關鍵結構及材料設計，并通過有限元軟件進行結構自振特性的研究，獲取了良好的研究結果，可為類似項目建設提供理論參考。

參考文獻

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收稿日期：2024-04-17

作者簡介：杜晶（1994—），男，碩士研究生，工程師，從事橋梁設計工作。