高墩大跨曲線連續(xù)剛構橋結構形式與參數(shù)研究

張 龍 李 豪 李建功

(1.中交路橋北方工程有限公司 北京 100024； 2.武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070)

曲線連續(xù)剛構橋有著良好的地形適應能力、較好的跨越能力和成熟的施工工藝，因而廣泛用于西部地區(qū)公路鐵路建設之中。

目前，對大跨徑連續(xù)剛構橋的研究主要集中在施工過程控制、施工全過程及成橋階段穩(wěn)定性分析、抗震性能與構造措施研究等方面，如文獻[1-3]。這些研究一方面保證了橋梁在施工和運營期間的結構安全，另一方面促進了該類橋型的發(fā)展。然而，大跨徑連續(xù)剛構橋在運營期間面臨的主要問題是跨中撓度過大和混凝土開裂問題，如文獻[4-5]對大跨徑連續(xù)剛構的跨中下?lián)蠁栴}的影響參數(shù)進行了分析，文獻[6]對預應力混凝土剛構橋的底板開裂原因進行了探討；實際上結構力學行為是由結構形式和特點決定，開展相關的結構形式參數(shù)分析對改善結構力學行為有著重要的意義。許多學者和工程師對大跨徑連續(xù)剛構橋結構形式進行了研究；文獻[7-8]利用有限單元法，發(fā)現(xiàn)了大跨徑連續(xù)剛構的空心雙薄壁主墩的參數(shù)設置與縱橋向抗彎剛度和穩(wěn)定性的關系。文獻[9]利用倒推分析法將結構簡化為單自由度體系對橋梁規(guī)則性進行分析。研究表明梁、墩橫向剛度比對連續(xù)梁橋橫橋向規(guī)則性起控制作用，墩梁剛度比越小，梁橋規(guī)則性越好。而橋墩剛度分布情況只有在梁、墩橫向剛度比較小時，對規(guī)則性影響較大。文獻[10]利用有限元模型法并結合工程實例進行研究，結果表明雙薄壁墩在結構性能方面要優(yōu)于單柱式墩。文獻[11]通過有限元建模分析法研究表明不同的合龍方案和體系轉換步驟對主橋正截面應力和懸臂施工預拱度等結構性能的影響很大；然而，這些研究大多是針對大跨徑或者是高墩的剛構橋進行研究，并且考慮的結構形式參數(shù)較為單一，未能系統(tǒng)的反映高墩大跨徑曲線連續(xù)剛構的情況。

薄膜燃料電池在高于80 ℃的溫度和高濕度下工作時,由于復合雙極板的性能可能會受到操作環(huán)境的影響,因此還必須了解環(huán)境對電池性能的影響。雖然已經研究了濕度和溫度對質子交換膜的力學性能的影響,但是對于應用環(huán)境對復合材料雙極板性能的影響還沒有充分的進行研究。因此,雙極板樣品的構造和測試,以研究濕度和溫度環(huán)境對石墨顆粒/環(huán)氧復合材料作為雙極板材料的機械性能的影響。此外,本文還研究了碳纖維織物對機械性能的影響。

本文以主跨為100 m的貴州省塢家塆大橋為背景，基于midas Civil建立其桿系模型，分別研究墩梁剛度比、曲線箱梁超高方式、體系轉換方式和橋墩形式對橋梁結構行為的影響。

1 工程背景

貴州省塢家塆大橋屬于大跨徑高墩預應力混凝土連續(xù)剛構彎橋，全長317 m。主橋上部結構為58 m+100 m+58 m連續(xù)剛構，位于緩和曲線和圓曲線段上，圓曲線半徑750 m，引橋上部結構為3×30 m預應力簡支T梁。下部結構為雙薄壁墩、柱式墩、薄壁墩、樁基、U形擴大基礎橋臺，其中1和2號墩為主橋墩，1號墩高58.65 m，2號墩高40.00 m，均采用雙薄壁墩形式，主、引橋間過渡段采用薄壁墩。橋型布置見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 墩梁剛度比研究

2.1 剛度比研究的意義

連續(xù)剛構橋在受力上最顯著特點是橋墩和連續(xù)梁共同承受荷載作用產生的內力，梁、墩和基礎3部分固結為一體，內力按照橋墩與連續(xù)梁的剛度比進行分配。合適的墩梁剛度比能滿足全橋的縱、橫向剛度要求，改善梁體內力分布狀態(tài)。

武陵斷彎褶皺帶由銅仁—保靖斷裂帶與古丈復背斜之次級褶皺構成。總體呈NE 向展布，出露地層主要為青白口系板溪群和南華系—志留系，古丈萬巖板溪群中發(fā)現(xiàn)基性火山巖?？傮w變形強度較低，一般巖層傾角3°～10°，局部達30°～40°，直立水平平緩褶皺為主，受后期斷裂切割褶皺普遍不完整。銅仁—保靖斷裂帶主要次級斷裂有：花垣—張家界斷裂帶、麻栗場斷層、吉首—古丈斷裂。

2.2 墩梁剛度比設置與計算模型介紹

橫橋向的結構動力特性研究遠比縱橋向重要。本文對橫橋向墩梁剛度比對連續(xù)梁橋橫橋向動力特性的影響進行研究。塢家塆大橋為3跨連續(xù)剛構橋，用彈簧的彈性約束來替代2個主橋墩處的橫向抗推剛度，用固定支座來替代橋臺的約束，然后對全橋進行質量集中，建立簡化的動力特性分析模型，如圖2。

圖2 橫橋向簡化動力分析模型圖

2.3 理論推導分析

本文主要從以下工況來分析最大懸臂時結構的穩(wěn)定性。

(1)

依據(jù)張之南主編《血液病診斷及療效判斷標準》（第3版）急性白血病診斷及療效標準[9]。所有患者在入組研究前皆已行血常規(guī)、骨髓細胞形態(tài)學、免疫分型、融合基因以及染色體核型分析等檢查明確診斷。

橋墩在橫向荷載作用時還會產生彎曲和剪切變形，抗推剛度按下式進行計算：

(2)

2.4 計算結果分析

塢家塆大橋主梁橫截面為箱型變截面，本文采用1/4跨中截面的尺寸：6.5 m×6.1 m空心矩形截面，腹板頂板底板厚度和高均取0.8 m。彈性模量Eb=35.5 GPa，質量密度ρ=2 500 kg/m3。假定2個橋墩的橫向抗推剛度相同，在0.02～10的范圍內改變。由上述步驟可得出不同墩梁剛度比時對應的結構基頻的振型質量參與系數(shù)，結果見圖3。

當市場交易主體預期人民幣匯率升值時，出口企業(yè)為規(guī)避匯率風險，具有定價權的企業(yè)可以通過提高出口產品價格來增加出口收入，不具備出口產品議價能力的企業(yè)則可能通過調低出口產品價格提高產品競爭力，出口收入隨之減少，同時國外進口企業(yè)可能預計未來中國進口產品價格上漲而加快進口，從而加快貨物貿易跨境資金流出。

圖3 墩梁剛度比與基頻振型質量參與系數(shù)關系圖

1) 對于主梁縱向彎矩My，可發(fā)現(xiàn)“先邊后中”的合龍方式下，邊跨和中跨的最大彎矩My均大于“先中后邊”對應的彎矩。

圖4 墩梁振型示意圖

3 箱梁超高方式研究

3.1 箱梁超高方式

彎橋與直橋相比其受力特點不同之處在于當垂直荷載和活荷載的離心力作用在橋的梁體結構上時，彎橋會產生能夠相互影響作用的彎矩和扭矩。因此對于彎橋，為抵抗由曲率半徑所產生的離心作用，需對箱梁設置一定的超高。目前彎橋上部結構超高方式主要有2種：①箱梁底板與頂板不平行，頂板傾斜，底板水平的超高方式；②底板與頂板平行，頂板和底板均傾斜的超高方式。

近些年來，我國經濟快速發(fā)展帶來的環(huán)境惡化問題突出。土壤和地下水環(huán)境的惡化對我國人民身體健康有著直接影響，我國對土壤以及地下水的污染治理也越來越重視。治理污染土壤以及被污染的地下水，首先要勘查污染區(qū)域，界定污染范圍，探明污染物所在地層的地質條件，了解污染物在土壤中存在狀態(tài)。根據(jù)調查結果制定治理方案，利用物理化學和生物的方法進行污染土壤的修復。在土壤修復過程中以及修復工程結束后對土壤中的污染物進行跟蹤監(jiān)測，了解污染治理工程的進度，檢驗治理的效果。因此，整個土壤污染治理的工藝流程都需要對污染土壤進行取樣調查。

3.2 計算結果分析

2種超高方式各有利弊，本橋結構特性值的差異見表1。塢家塆大橋平面線形主橋位于圓曲線上，半徑750 m；左幅橫坡為-4%，右幅橫坡為4%(橫坡規(guī)定：路中線高，兩側低為正，反之為負)。該表選取的是靠近1號墩的L/4處。

表1 2種超高方式對比表(單幅橋)

由表1可見：①方式二比方式一更節(jié)省建筑材料(混凝土)，單幅橋可節(jié)省混凝土134 m3，即自重減少了3 416.8 kN；②方式一比方式二慣性矩大。

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分析以上數(shù)據(jù)可知，從施工角度而言，方式一比方式二相對方便一些，水平式底板模板容易搭設，混凝土振搗更加充分，質量控制也相對容易。

（2）土石籠袋施工效果美觀，整體性好，能夠適應不同工程的需要，具有結構穩(wěn)定性，極強的抗沖刷能力。其透水不透土特性可在水分正常交流的前提下，有效地防止土壤流失。另外，土石籠袋對植物非常友善，植物根系可通過袋體自由生長，滿足景觀需求。

3.3 2種超高方式荷載作用結果對比

工況3。自重+施工荷載+順橋向風荷載。

校企深度融合，對企業(yè)來說，可從學校畢業(yè)生中選擇優(yōu)秀畢業(yè)生充實員工隊伍，學校成為企業(yè)人才的儲備庫；對學校來說，可以通過企業(yè)了解企業(yè)對人才的需要狀況，從而修訂人才培養(yǎng)方案。由于企業(yè)的參與，突出了學生專業(yè)技能的培養(yǎng)和素質的全面提高，培養(yǎng)學生的良好職業(yè)道德和職業(yè)能力，實現(xiàn)學生的專業(yè)技能訓練與崗位需求“零距離”對接，達到學校人才培養(yǎng)與社會試產該需求全面對接，真正實現(xiàn)校企雙贏。

表2 恒載作用對比結果

由表2可見，2種超高方式的箱梁在恒載作用下內力僅有微小的差別，底板平置模型內力一般情況下比底板斜置模型內力小一些。所以綜合以上數(shù)據(jù)，從內力角度來看，底板平置的箱梁形式，恒載受力稍微好一些，在實際工程中可優(yōu)先考慮。

表3 活載作用對比結果 kN·m

工況5。自重+施工荷載+橫橋向風荷載+順橋向風荷載+單側掛籃跌落。

4 體系轉換方式研究

4.1 體系轉換在施工過程中的重要性

不同的合龍方案順序將導致結構產生完全不同的受力狀態(tài)，從而在施工過程中產生結構內力，它們會影響結構的強度、剛度和穩(wěn)定性[12-13]。

4.2 2種體系轉換介紹

連續(xù)剛構橋主要有2種結構體系轉換方式：①先中跨后邊跨合龍，簡稱“先中后邊”；②先邊跨后中跨合龍，簡稱“先邊后中”。2種體系轉換方式具體來看：“先邊后中”法可減小結構中的溫度應力并容易控制合龍過程中的結構變形?！跋戎泻筮叀睍紫刃纬伞切谓Y構，應注意的是在合龍段施工中選擇合理的灌注時間?！跋冗吅笾小狈▌t是在邊跨合龍后，成為一次超靜定結構，其溫度和混凝土收縮產生的應力及變形較“先中后邊”法要小很多，同時施工中的變形控制也相對簡單。所以在實際工程中，大多采用“先邊后中”的合龍順序。

4.3 不同體系轉換結果分析

對于“先邊后中”和“先中后邊”的2種不同的體系轉換方式，對塢家塆大橋利用midas Civil軟件進行分析。本例分別從主梁縱向彎矩My、全橋豎向剪力Fz及主梁截面上下緣應力σ3個內力對2種合龍方式進行對比。在分析和總結數(shù)據(jù)結果后得到以下3點結論。

在接受調查的5所本科民辦高校中，大部分辦學時間都不長，雙創(chuàng)教育尚處于起步階段，現(xiàn)狀情況如下：第一，雙創(chuàng)教育理論體系和實踐培訓體系不夠完善，主要體現(xiàn)在各高校的人才培養(yǎng)方案、配套服務和保障體系方面；第二，針對雙創(chuàng)課程設置，沒有相對完善的教學計劃、模式、師資隊伍、相關資源配置等與之匹配。

由圖3可見，當墩梁剛度比從小到大變化時，基頻振型質量參與系數(shù)在[0.07,0.85]范圍內浮動。當墩梁剛度比在[0.1，1.7]區(qū)間時，基頻振型質量參與系數(shù)在0.85左右，而當墩梁剛度比增加到2.2時，參與系數(shù)發(fā)生突變，由0.85變成0.7左右，之后基頻振型質量參與系數(shù)維持不變。這說明結構的基頻振型模式隨不同墩梁剛度比發(fā)生改變。圖4是由計算機仿真繪制的連續(xù)剛構的基頻振型圖。

2) 對于豎向剪力Fz，主要觀察全橋在橋墩支座處附近的縱向剪力Fz的大小，可發(fā)現(xiàn)2種合龍方式對應的剪力總是靠近后合龍跨一側的剪力較大。

可以讓學生閱讀《圣經》中的相關章節(jié)，然后思考《藥》里的情節(jié)為什么同《圣經》中的表述有如此驚人的相似？結合耶穌的受難與復活，讓學生重新認識《藥》的思想主題。

3) 對于主梁截面上下翼緣的應力σ，不同合龍方式對成橋階段主梁截面正應力分布有較大影響，應力差值從邊跨開始到中跨部分逐漸變大。

5 橋墩結構形式研究

5.1 高墩形式

連續(xù)剛構橋橋墩從墩身的截面形式來劃分，可分為實體橋墩、空心橋墩；從整體性來看分，可分為單肢墩和雙肢墩?？招亩盏臋M截面形式有圓形和矩形，及單肢和雙肢2種特性組合。

5.2 不同橋墩形式穩(wěn)定性分析

對于本橋，進行不同的橋墩形式下的仿真分析得到相關穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。橋墩形式選用雙薄壁墩和單薄壁空心墩。從最大懸臂和成橋運行2個階段對不同橋墩形式條件下的穩(wěn)定性進行研究。

在最大懸臂狀態(tài)下，由于1號墩最高，為58.645 m，故將1號墩和兩端懸臂進行建模分析，單元和節(jié)點大體按施工節(jié)段進行分配，以墩底固結、懸臂端自由的邊界條件將結構離散，其中墩頂與梁塊之間采用剛性連接的方式，結構自重在單元內計入，其他荷載以單元荷載或節(jié)點荷載的形式施加于結構上。

首先列出模型的單自由度動力方程：

工況1。自重+施工荷載。

1.2.1 甘薯黑斑病菌最佳產孢方法篩選。采用PDA平板接種活化后的黑斑病菌菌碟，將接種好的平板置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5～ 6 d，采用30 mL無菌水洗滌平板表面孢子，紗布過濾去除菌絲后，測量孢子懸浮液中目鏡10倍及物鏡20倍顯微鏡下一個視野內孢子數(shù)，設置3個重復，每個重復制片3張。該方法設為對照組①。

工況2。自重+施工荷載+橫橋向風荷載。

對2種超高方式的箱梁分別作用恒載和活載，然后對比分析。恒載作用結果見表2。活載對比結果見表3。

工況4。自重+施工荷載+單側掛籃跌落。

由表3可見，2種超高方式在活載作用下的內力結果也有些許不同。2個斷面的活載作用結果產生的內力相比，邊跨跨中的My值差異相對大一點，而中跨根部的其余內力的差異則較小。說明在活載作用下，底板平置的超高方式邊跨承受My內力較大，也就是說底板斜置超高方式受力更好。

對應的計算結果見表5。

表5 最大懸臂狀態(tài)橋梁穩(wěn)定特征值

由表5可見，在各個工況條件下，雙薄壁墩的穩(wěn)定特征值要大于單薄壁空心墩。這說明在最大懸臂狀態(tài)下，雙肢墩的連續(xù)剛構的穩(wěn)定性要好于單肢墩的連續(xù)剛構。

成橋狀態(tài)時，研究對象為主橋，以墩底固結、兩端約束4個方向自由度(Dy,Dz,Rx,Rz)的方式建立模型，并將全橋結構離散，墩頂和0號塊剛性連接，自重計入單元內，其他的荷載以節(jié)點荷載或者梁單元荷載的形式施加于結構上。

考慮橋梁在運營階段主要荷載有自重、二期恒載、風荷載、汽車荷載、溫度荷載等。工況組合劃分如下。

工況1。自重+二期恒載+橫橋向風荷載+順橋向風荷載。

服務器從各網關節(jié)點獲取采集到的所有相關數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析、處理、存儲、查詢、統(tǒng)計功能。上位機從數(shù)據(jù)庫服務器獲取對應數(shù)據(jù)，并且與web前端共用一個數(shù)據(jù)庫。上位機軟件由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理三個部分組成。數(shù)據(jù)接收部分實現(xiàn)上位機軟件從網口接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理則主要實現(xiàn)了數(shù)字信息的網頁顯示；數(shù)據(jù)管理利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行保存，方便未來用戶查詢相關數(shù)據(jù)以及后期處理。另外客戶端在任何時間地點只要掃描商品二維碼或者登陸系統(tǒng)相關的網頁，就可獲取所購買的茶葉整個環(huán)節(jié)的相關數(shù)據(jù)。

減壓貯藏是通過降低貯藏環(huán)境中的氣體壓力，將環(huán)境中O2和CO2的比例保持適宜，并能將果蔬釋放的乙烯及時排除，降低其呼吸作用，從而達到保持果蔬品質和延長貯藏期的目的。Chen等[18]研究表明，減壓可以誘導楊梅果實CAT活性的上升和酚類物質的生成，并能保持POD的活性，抑制MDA的上升，從而降低了果實的腐爛率，延長了貯藏期。

工況2。自重+二期恒載+汽車荷載。

工況3。自重+二期恒載+體系升溫。

工況4。自重+二期恒載+體系降溫。

工況5。自重+二期恒載+汽車荷載+橫向風載+順向風載+升溫。

對應的計算結果見表6。

表6 成橋運行狀態(tài)橋梁穩(wěn)定特征值

由表6可見，在成橋運行狀態(tài)下，橋墩形式為雙薄壁墩的連續(xù)剛構橋的穩(wěn)定性優(yōu)于單薄壁空心墩。這個結果與最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定分析一致，說明塢家塆大橋采用雙薄壁墩是科學合理的。

6 結論

1) 采用集中質量法并選擇連續(xù)剛構橋橫向簡化動力分析模型是可行的，能夠直觀明確地得出墩梁剛度比對連續(xù)剛構橋橫向動力性能的影響。若橋墩的橫向抗推剛度比相同，隨著墩梁剛度比的逐步減少，連續(xù)剛構橋的橫向動力特性將發(fā)生較大變化，其基頻振型將從連續(xù)剛構模式變?yōu)榻坪喼Я旱哪Ｊ健?/p>

2) 對比彎橋的2種超高方式，底板平置和底板與頂板斜置。從施工材料的用量角度來看，底板平置的箱梁混凝土用量要多于底板斜置的箱梁。從施工方式的難易程度來看，底板平置的箱梁更為簡單，便于操作，節(jié)約施工成本。從荷載作用下的結構內力響應來看，兩者有些許差異，但是總體來看不平行截面形式的箱梁較占