劉通

摘要：文章結合桃溪預應力連續(xù)剛構大橋工程實例，利用Midas軟件建立了有限元模型，對該橋預應力梁進行了彈塑性分析，并通過對其上部結構和下部結構進行內力計算、控制界面的應力驗算、變形驗算等，分析了該橋的設計特點及結構應力。

關鍵詞：連續(xù)剛構;成橋應力分析;懸臂現(xiàn)澆;應力驗算;承載能力驗算

中國分類號：U441+.5文章標識碼：A240914

0 引言

桃溪預應力連續(xù)剛構大橋位于我國賀州市昭平縣，該地區(qū)處于構造剝蝕侵蝕緩坡丘陵地貌區(qū)，沿橋軸線地面高程一般為15～21 m，主要河流有桂江及其一級支流思勤江（即走馬河），屬珠江流域西江水系，方向自北向南;境地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，氣候溫和且雨量充裕，年平均氣溫20.1 ℃，年降雨量>2 056 mm，線路區(qū)植被較為發(fā)育。橋墩位于覆蓋層主要由第四系沖洪積（Qpal+pl）成因的淤泥質黏土區(qū)域;橋墩下伏基巖為燕山晚期侵入的強風化泥灰?guī)r，樁基鉆孔位于強風化巖地下水位埋深約9.3～10.3 m處。沿線地下水可劃分為碎屑巖孔隙裂隙水、巖溶水、第四系孔隙水三大類，以碎屑巖孔隙裂隙水為主，巖體節(jié)理裂縫較為發(fā)育，巖體破碎-較破碎為主。

綜上所述，連續(xù)剛構橋無論是從橋梁橋型還是經(jīng)濟層面考慮，均有一定的競爭優(yōu)勢，而且在國內技術成熟，具有普遍性、可行性、實用性等特點，現(xiàn)針對桃溪剛構大橋的結構應力合理性進行分析研究，可為廣西丘陵地貌地區(qū)高速公路的同類型橋型設計提供參考。

1 工程概況

桃溪橋為賀州至鐘山高速公路（鐘山至昭平段）上的一座控制性橋梁，主橋采用85 m+130 m+85 m預應力混凝土連續(xù)剛構橋，邊主跨比為0.65，橋梁設置為單項縱坡，坡度為1%;該橋按設計時速為100 km/h、公路-Ⅰ級汽車荷載、雙向兩車道高速公路標準建設;橋墩采用薄壁墩結構形式，屬于柔性墩，自身抗剪能力強，能夠較好承受墩頂傳來的水平力（主要為制動力或牽引力），墩底承受的彎矩、梁內的軸力比較大，適用于剝蝕侵蝕緩坡丘陵地貌區(qū)，主橋橋型布置見下頁圖1。

2 結構特點

連續(xù)剛構橋主要通過梁墩固結連接的方式，對橋梁的主梁進行固定，同時將橋墩與其融為一個整體，在橋梁自重和運營狀態(tài)下，橋墩會接收到主梁所傳遞的荷載，橋墩支座頂及其附近產(chǎn)生負彎矩，跨中產(chǎn)生一部分正彎矩，彼此之間相互抵消，從而使內力結構較為均勻。混凝土預應力連續(xù)梁橋一般為超靜定結構。在高墩大跨徑橋梁中，與斜拉橋梁結構體系比較，連續(xù)梁體系完整、受力均勻且對基礎要求相對較低;與拱橋結構體系相比，連續(xù)梁具有跨中彎矩小、承載能力大、節(jié)省材料、橋跨連接無須設置伸縮縫從而行車舒適平順等優(yōu)點[1]。

3 主橋上部結構

主梁采用單箱單室變截面連續(xù)箱梁，內部設置縱、橫、豎三向預應力束，箱梁采用C50鋼纖維混凝土，按照規(guī)范《大跨徑連續(xù)剛構設計的指南》（JTG D62-2004）中關于箱梁一般尺寸構造的規(guī)定，全截面箱梁頂板寬度為12.7 m，橋面寬度為0.6 m（防撞護欄）+2×3.5 m（機動車道）+2×2 m（非機動車道）+0.5 m（中央分隔帶）+0.6 m（防撞護欄），橋面采用10 cm防水混凝土鋪裝層和8 cm的瀝青混凝土、磨耗粘合層，總計18 cm，橋面設置橫坡為2%。懸澆底板寬度為7.1 m，箱梁懸臂板長度為2.8 m，箱梁頂板翼緣端部厚度為0.25 m，頂板厚度為0.35 m，底板厚度由支座處截面的0.85 m至跨中的0.26 m;腹板寬度為0.45 m，支點截面梁高采用主跨跨徑的1/20～1/15，取1/18，即支座梁高7.13 m?？缰薪孛媪焊邽橹骺缈鐝降?/50～1/30，取1/50，即跨中梁高2.7 m，梁底曲線根據(jù)《混凝土連續(xù)梁設計指南》中的相關規(guī)定，選取1.8次拋物線[2]，見圖2。

縱向預應力束設計分別采用19股、25股、27股3種不同股數(shù)鋼絞線，對應頂板束采用OVM27-27型錨具、腹板束采用OVM12-12型錨具、底板束采用OVM9-9型錨具，單個錨具的設置回縮量為6 mm;管道采用塑料波紋管成孔;預應力鋼絞線采用公稱直徑為S=15.2 mm，其對應公稱面積S=140 mm2;標準抗拉強度值fpk=1 860 MPa，張拉控制力σcon=0.75，fpk=1 395 MPa;豎向預應力筋采用單根公稱直徑32 mm的精扎螺紋鋼筋，YGM32型錨具;橫向采用3根公稱直徑S15.2 mm預應力鋼絞線，BM15-2扁平錨具。所有鋼絞線均符合ASTM416-87A的技術標準[3]，預應力鋼束布置見圖3、圖4。

4 內力計算及荷載組合

4.1 模型簡介

橋梁總長300 m，邁達斯建模共設置76個單元、83個截點、16個施工階段;兩端滿堂支架法施工，中跨平衡掛籃施工;每一個施工階段從0#塊開始左右自成一個單元，設置了每個施工段能實現(xiàn)的單元，同時還模擬預應力筋的布置;全橋主跨單元是懸臂澆筑法施工，利用Midas模擬不同施工環(huán)節(jié)，在恒載作用基礎上，進行橋梁結構、溫度梯度以及混凝土收縮、NT和PSC截面的計算。從材料與截面特性到定義施工階段，再到PSC的截面分析，要考慮預應力的布置以及梁單元內里圖分布是否合理，這取決于橋梁截面最大剪力與彎矩的控制設計，見圖5。

4.2 荷載工況計算結果

在Midas模型的支持下，結合橋梁項目具體參數(shù)數(shù)值，對于車道的設計，根據(jù)相關規(guī)范橫向折減數(shù)值為0.78，同時考慮載荷荷載效應，確定最終的折減系數(shù)。需要注意的是，車道荷載作為汽車荷載中的組成元素，要嚴格按照公路Ⅰ級車道荷載要求，標準值Qk=10.5 kN/m，集中荷載標準值PK= 360 kN。剪力效應PK值應乘以一個因數(shù)P=1.2，車道廣泛均布荷載應滿布在結構相同的線數(shù)的最不利影響處，只有作用于高峰影響線，才能得到理想狀態(tài)。

桃溪連續(xù)剛構橋采用的是懸臂澆筑法施工，因此施工階段應力分析主要考慮恒荷載（自重）、施工荷載、混凝土徐變和收縮、預應力束等因素，最大、最小應力狀態(tài)見表1。

根據(jù)Midas軟件計算結果得知，在考慮最不利因素影響下，施工階段梁段截面均滿足規(guī)范設計要求;在極限狀態(tài)下梁段截面上緣處最大、最小主壓應力也分別在允許應力值范圍內，說明結構受力情況良好，結構的抗彎、抗剪極限承載力均滿足規(guī)范設計要求。在正常施工階段組合工況下，數(shù)據(jù)表明1/2、1/4跨中處壓應力較為集中，從側面說明梁體下?lián)铣潭纫草^大。在預應力鋼束錨固和梁體收縮徐變作用下，主壓應力最大值為-1.84 MPa，略微偏大?？缰薪孛娉霈F(xiàn)主壓應力偏高，但箱梁截面應力突變仍在允許值范圍內，可平穩(wěn)地進行下一階段的邊中跨合龍。

分析桃溪連續(xù)剛構成橋合龍時，整個應力分析以邊跨合龍、中跨合龍、成橋運營3個狀態(tài)為主，除了工況荷載疊加風荷載之外，基礎沉降方面以及預應力損失等都需要綜合考慮。根據(jù)承載力驗算，若處于正常狀態(tài)，邊中跨合龍成橋結構截面最小壓應力為-0.2 MPa，最大壓應力為17.6 MPa，與施工階段相比，數(shù)據(jù)處于規(guī)范值。

成橋運營階段，連續(xù)剛構結構計算考慮包括橋梁自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、工況荷載疊加、溫度梯度、風荷載、汽車荷載的作用，同時對施工過程中梁體截面進行了應力驗算，結果滿足規(guī)范設計要求，見表2。

5 墩身彈塑性分析

通過Midas模型分析墩身彈塑性，避免運營期間梁體產(chǎn)生橫向扭矩和縱向剪力傾覆而導致墩身失穩(wěn)破壞，要分散荷載在墩頂部位的集中力。此橋墩身高40 m，下部結構混凝土采用C40材料，軸心抗壓值fck=26.8 N/mm2;軸心抗拉值為ftk=2.4 N/mm2;箱梁采用C50材料，預應力鋼束彈性模量為2.0×107，線膨脹系數(shù)為1.0×10-5;下部結構采用混凝土C40材料，墩身和梁體軸心抗壓值均為fck=26.8 N/mm2;軸心抗拉值均為ftk=2.4 N/mm2;彈性模量均為2.35×104 MPa，橋墩、主梁混凝土材料容重均取值0.2，極限壓應變系數(shù)取值0.04。

同時考慮最大懸臂和成橋合龍狀態(tài)下的結構荷載：工況一（橋梁自重+溫度梯度作用）;工況二（結構自重+車輛荷載+風荷載）;工況三（二期恒載+車輛荷載+風荷載）。模型結果顯示橋墩穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，橋墩彈塑性穩(wěn)定系數(shù)見表3。

6 結語

連續(xù)剛構特大橋均適用于丘陵地區(qū)、山地峽谷地區(qū)等險峻地形地貌，但由于連續(xù)剛構縱向剪力和橫向扭矩結構受力特點，加上溫度梯度變化、混凝土收縮徐變、施工不規(guī)范等因素影響，可直接導致支座0#節(jié)塊出現(xiàn)橫向裂縫、成橋跨中主梁撓度過大、箱梁內部應力檢測不合格等缺陷。

通過連續(xù)剛構特大橋箱梁關鍵截面的應力監(jiān)測，研究施工過程中應力變化，為橋梁施工及運營安全提供了保障。在桃溪大橋合龍成橋階段和運營階段，結構應力狀態(tài)均較為穩(wěn)定，梁體預應力裂縫是否產(chǎn)生取決于對結構尺寸方面的精準控制以及及時掌握結構受力狀態(tài)。從施工質量、精細測量、外觀尺寸及模板高程糾偏等要點進行監(jiān)測，結合梁體節(jié)段混凝土澆筑后及時養(yǎng)護、避免錨端張拉后應力損失、收集應力監(jiān)控和成橋靜載實驗過程信息等舉措，特別針對連續(xù)梁剛構箱梁進行科學規(guī)范設計，能保證成橋后連續(xù)剛構恒載受力穩(wěn)定，減少跨中及支座處的橫向張拉裂縫，讓墩梁固結與預應力筋共同參與工作，使得運營期間車輛活載引起的跨中彎矩及其恒載內力都在規(guī)定的標準值區(qū)間，從而保證連續(xù)剛構特大橋使用運營壽命得以延長。

桃溪連續(xù)剛構特大橋于2019年6月份已順利合龍，桃溪連續(xù)剛構特大橋從懸臂澆筑狀態(tài)到成橋運營狀態(tài)其撓度變化和結構應力狀態(tài)都較為良好，此橋的成功建設對于廣西喀斯特丘陵地貌山區(qū)的橋梁建設具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]楊光強，吳 輝，吳定超.超高墩大跨徑連續(xù)剛構橋設計[J].交通科技，2014（4）：1-4.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[3]孟昭敏，李學軍.預應力施工技術在公路橋梁中的要點分析[J].建筑工程技術與設計，2015（19）：832.

[4]馬寶林.高墩大跨徑連續(xù)鋼構 [M].北京：北京人民交通出版社，2002.