劉通

摘要：文章結(jié)合桃溪預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)大橋工程實(shí)例，利用Midas軟件建立了有限元模型，對(duì)該橋預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行了彈塑性分析，并通過對(duì)其上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算、控制界面的應(yīng)力驗(yàn)算、變形驗(yàn)算等，分析了該橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu);成橋應(yīng)力分析;懸臂現(xiàn)澆;應(yīng)力驗(yàn)算;承載能力驗(yàn)算

中國(guó)分類號(hào)：U441+.5文章標(biāo)識(shí)碼：A240914

0 引言

桃溪預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)大橋位于我國(guó)賀州市昭平縣，該地區(qū)處于構(gòu)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(jí)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(fēng)性濕潤(rùn)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(zhì)黏土區(qū)域;橋墩下伏基巖為燕山晚期侵入的強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r，樁基鉆孔位于強(qiáng)風(fēng)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(gòu)橋無論是從橋梁橋型還是經(jīng)濟(jì)層面考慮，均有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且在國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟，具有普遍性、可行性、實(shí)用性等特點(diǎn)，現(xiàn)針對(duì)桃溪?jiǎng)倶?gòu)大橋的結(jié)構(gòu)應(yīng)力合理性進(jìn)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(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

桃溪橋?yàn)橘R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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，邊主跨比為0.65，橋梁設(shè)置為單項(xiàng)縱坡，坡度為1%;該橋按設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h、公路-Ⅰ級(jí)汽車荷載、雙向兩車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè);橋墩采用薄壁墩結(jié)構(gòu)形式，屬于柔性墩，自身抗剪能力強(qiáng)，能夠較好承受墩頂傳來的水平力（主要為制動(dòng)力或牽引力），墩底承受的彎矩、梁內(nèi)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(yè)圖1。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

連續(xù)剛構(gòu)橋主要通過梁墩固結(jié)連接的方式，對(duì)橋梁的主梁進(jìn)行固定，同時(shí)將橋墩與其融為一個(gè)整體，在橋梁自重和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，橋墩會(huì)接收到主梁所傳遞的荷載，橋墩支座頂及其附近產(chǎn)生負(fù)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(nèi)力結(jié)構(gòu)較為均勻?；炷令A(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋一般為超靜定結(jié)構(gòu)。在高墩大跨徑橋梁中，與斜拉橋梁結(jié)構(gòu)體系比較，連續(xù)梁體系完整、受力均勻且對(duì)基礎(chǔ)要求相對(duì)較低;與拱橋結(jié)構(gòu)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(shè)置伸縮縫從而行車舒適平順等優(yōu)點(diǎn)[1]。

3 主橋上部結(jié)構(gòu)

主梁采用單箱單室變截面連續(xù)箱梁，內(nèi)部設(shè)置縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)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(gòu)設(shè)計(jì)的指南》（JTG D62-2004）中關(guān)于箱梁一般尺寸構(gòu)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(hù)欄）+2×3.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+2×2 m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（中央分隔帶）+0.6 m（防撞護(hù)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(jì)18 cm，橋面設(shè)置橫坡為2%。懸澆底板寬度為7.1 m，箱梁懸臂板長(zhǎng)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(diǎn)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(shè)計(jì)指南》中的相關(guān)規(guī)定，選取1.8次拋物線[2]，見圖2。

縱向預(yù)應(yīng)力束設(shè)計(jì)分別采用19股、25股、27股3種不同股數(shù)鋼絞線，對(duì)應(yīng)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(gè)錨具的設(shè)置回縮量為6 mm;管道采用塑料波紋管成孔;預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用公稱直徑為S=15.2 mm，其對(duì)應(yīng)公稱面積S=140 mm2;標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值fpk=1 860 MPa，張拉控制力σcon=0.75，fpk=1 395 MPa;豎向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線，BM15-2扁平錨具。所有鋼絞線均符合ASTM416-87A的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]，預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖3、圖4。

4 內(nèi)力計(jì)算及荷載組合

4.1 模型簡(jiǎn)介

橋梁總長(zhǎng)300 m，邁達(dá)斯建模共設(shè)置76個(gè)單元、83個(gè)截點(diǎn)、16個(gè)施工階段;兩端滿堂支架法施工，中跨平衡掛籃施工;每一個(gè)施工階段從0#塊開始左右自成一個(gè)單元，設(shè)置了每個(gè)施工段能實(shí)現(xiàn)的單元，同時(shí)還模擬預(yù)應(yīng)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(chǔ)上，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)、溫度梯度以及混凝土收縮、NT和PSC截面的計(jì)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(yù)應(yīng)力的布置以及梁?jiǎn)卧獌?nèi)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(shè)計(jì)，見圖5。

4.2 荷載工況計(jì)算結(jié)果

在Midas模型的支持下，結(jié)合橋梁項(xiàng)目具體參數(shù)數(shù)值，對(duì)于車道的設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范橫向折減數(shù)值為0.78，同時(shí)考慮載荷荷載效應(yīng)，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(yán)格按照公路Ⅰ級(jí)車道荷載要求，標(biāo)準(zhǔn)值Qk=10.5 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值PK= 360 kN。剪力效應(yīng)PK值應(yīng)乘以一個(gè)因數(shù)P=1.2，車道廣泛均布荷載應(yīng)滿布在結(jié)構(gòu)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(gòu)橋采用的是懸臂澆筑法施工，因此施工階段應(yīng)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(yù)應(yīng)力束等因素，最大、最小應(yīng)力狀態(tài)見表1。

根據(jù)Midas軟件計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)要求;在極限狀態(tài)下梁段截面上緣處最大、最小主壓應(yīng)力也分別在允許應(yīng)力值范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)受力情況良好，結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪極限承載力均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)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(yīng)力較為集中，從側(cè)面說明梁體下?lián)铣潭纫草^大。在預(yù)應(yīng)力鋼束錨固和梁體收縮徐變作用下，主壓應(yīng)力最大值為-1.84 MPa，略微偏大?？缰薪孛娉霈F(xiàn)主壓應(yīng)力偏高，但箱梁截面應(yīng)力突變?nèi)栽谠试S值范圍內(nèi)，可平穩(wěn)地進(jìn)行下一階段的邊中跨合龍。

分析桃溪連續(xù)剛構(gòu)成橋合龍時(shí)，整個(gè)應(yīng)力分析以邊跨合龍、中跨合龍、成橋運(yùn)營(yíng)3個(gè)狀態(tài)為主，除了工況荷載疊加風(fēng)荷載之外，基礎(chǔ)沉降方面以及預(yù)應(yīng)力損失等都需要綜合考慮。根據(jù)承載力驗(yàn)算，若處于正常狀態(tài)，邊中跨合龍成橋結(jié)構(gòu)截面最小壓應(yīng)力為-0.2 MPa，最大壓應(yīng)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(yùn)營(yíng)階段，連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)計(jì)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(fēng)荷載、汽車荷載的作用，同時(shí)對(duì)施工過程中梁體截面進(jìn)行了應(yīng)力驗(yàn)算，結(jié)果滿足規(guī)范設(shè)計(jì)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(yùn)營(yíng)期間梁體產(chǎn)生橫向扭矩和縱向剪力傾覆而導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)變系數(shù)取值0.04。

同時(shí)考慮最大懸臂和成橋合龍狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)荷載：工況一（橋梁自重+溫度梯度作用）;工況二（結(jié)構(gòu)自重+車輛荷載+風(fēng)荷載）;工況三（二期恒載+車輛荷載+風(fēng)荷載）。模型結(jié)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(jié)語

連續(xù)剛構(gòu)特大橋均適用于丘陵地區(qū)、山地峽谷地區(qū)等險(xiǎn)峻地形地貌，但由于連續(xù)剛構(gòu)縱向剪力和橫向扭矩結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，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(dǎo)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(nèi)部應(yīng)力檢測(cè)不合格等缺陷。

通過連續(xù)剛構(gòu)特大橋箱梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，研究施工過程中應(yīng)力變化，為橋梁施工及運(yùn)營(yíng)安全提供了保障。在桃溪大橋合龍成橋階段和運(yùn)營(yíng)階段，結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)均較為穩(wěn)定，梁體預(yù)應(yīng)力裂縫是否產(chǎn)生取決于對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸方面的精準(zhǔn)控制以及及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。從施工質(zhì)量、精細(xì)測(cè)量、外觀尺寸及模板高程糾偏等要點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合梁體節(jié)段混凝土澆筑后及時(shí)養(yǎng)護(hù)、避免錨端張拉后應(yīng)力損失、收集應(yīng)力監(jiān)控和成橋靜載實(shí)驗(yàn)過程信息等舉措，特別針對(duì)連續(xù)梁剛構(gòu)箱梁進(jìn)行科學(xué)規(guī)范設(shè)計(jì)，能保證成橋后連續(xù)剛構(gòu)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(jié)與預(yù)應(yīng)力筋共同參與工作，使得運(yùn)營(yíng)期間車輛活載引起的跨中彎矩及其恒載內(nèi)力都在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間，從而保證連續(xù)剛構(gòu)特大橋使用運(yùn)營(yíng)壽命得以延長(zhǎng)。

桃溪連續(xù)剛構(gòu)特大橋于2019年6月份已順利合龍，桃溪連續(xù)剛構(gòu)特大橋從懸臂澆筑狀態(tài)到成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)其撓度變化和結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)都較為良好，此橋的成功建設(shè)對(duì)于廣西喀斯特丘陵地貌山區(qū)的橋梁建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]孟昭敏，李學(xué)軍.預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)在公路橋梁中的要點(diǎn)分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（19）：832.

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