桥梁博士的特点及应用范围(高墩大跨连续刚构桥设计)

Posted 2023-05-30

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桥梁博士的特点及应用范围(高墩大跨连续刚构桥设计)

杨相展詹先境

创辉达设计股份有限公司

摘要：以黄虎港大桥为例，介绍了高墩预应力混凝土连续刚构桥设计特点，利用midas Civil程序建立了有限元计算模型，对其荷载作用下静力特性进行了分析，重点分析了高墩在最大悬臂状态的稳定性，为此类桥梁的设计提供参考。

关键词：连续刚构桥;高墩;桥梁设计;结构静力计算;主墩稳定性计算;

连续刚构桥以其跨越能力大、经济性能好等优势广泛应用于公路、市政、铁路桥梁，特别是在山区跨越沟谷地段，往往成为最具竞争力的桥型选择。

国内外学者对高墩大跨连续钢构的设计和稳定性进行了大量研究。张来福等[1]介绍了逢石河特大桥主桥的设计，逢石河特大桥主桥为(66+5×120+66) m七跨连续混凝土刚构桥，最大墩高101m，为减少温度变形内力，对主墩的纵桥向尺寸进行了优化设计，为解决连续刚构桥后期下挠问题适当增加了跨中预拱度。万麟等[2]介绍了贵州省黔西至大方高速公路西溪河特大桥主桥的设计，西溪河特大桥主桥为(101+2×190+101) m四跨连续混凝土刚构桥，最大墩高118m，采用桥梁博士V3.2.0对主桥进行了计算分析，桥梁施工及运营各阶段均能满足相关规范要求。张敬天等[3]利用有限元软件对重庆鱼洞长江大桥的稳定性进行了分析，重庆鱼洞长江大桥主桥为(145+2×260+145) m四跨连续混凝土刚构桥，最大墩高61m，计算结果表明稳定最不利状态为最大双悬臂状态，为保证结构的安全，应加强施工过程中的监控。

结合黄虎港大桥的设计，详细介绍了此类桥梁的设计特点，利用midas Civil程序建立了有限元计算模型，对其荷载作用下静力特性进行分析，分析了高墩在最大悬臂状态的稳定性。

1 工程概况

新建黄虎港桥位于黄虎港峡谷汇流处，老黄虎港大桥临渫水河外侧。桥址处属低山丘陵地貌，桥位处两岸悬崖林立，沟深约200m，地形条件极其险峻，山势自然坡度达80°。桥位区最低地面高程约205m，最高约625m，相对高差约425m。

桥跨布置采用2×30m预应力简支T梁+(75+130+75) m预应力连续刚构+(2×37+40+37) m预应力连续T梁，桥梁全长498.54m，第1、第2跨桥宽由19.1m渐变至18.5m，其余桥跨全宽18.5m，最大桥墩高度113m。本桥位于一级公路上，设计时速60km/h，双向四车道，桥梁荷载等级为公路-Ⅰ级，地震动峰值加速度0.05g(基本烈度为VI度)，抗震设防烈度为Ⅵ度。效果图如图1所示。

图1 效果图下载原图

1.1 主桥上部结构

主桥整幅为单箱双室截面。箱梁刚构墩墩顶梁高780cm，跨中梁高330cm，梁高变化遵循二次抛物线;箱梁顶板宽度为18.5m，底板宽度为11.5m，顶板厚度均为28cm，底板厚度为由墩顶80cm按二次抛物线渐变到跨中30cm;顶板翼缘长350cm，厚度由端部20cm变到根部80cm;腹板厚度分别为70cm、60cm及45cm，根部加厚至100cm;刚构墩(3号墩、4号墩)墩顶设四道100cm厚的横隔板，过渡墩(2号墩、5号墩)墩顶设一道150cm厚的端横隔板。主跨跨中设置1道40cm厚的跨中横隔板。变截面悬浇连续梁采用三向(纵、横、竖向)预应力，均采用钢绞线。

1.2 主桥下部结构

主桥桥墩采用双肢薄壁变截面空心墩，采用单箱双室截面，壁厚70cm。第一节墩身顺桥向宽5.0m，横桥向13.5m，第二节墩身顺桥向宽4.0m，横桥向12.5m，第三、四节墩身顺桥向宽3.2m，横桥向11.5m，最高墩高113m，墩顶及墩底300cm范围内采用实心截面，其余为空心截面。基础采用群桩基础，承台厚度4.5m，桩基采用4排16根Φ2.0m桩基。

2 结构静力计算

2.1 计算模型

本桥应用计算软件Midas/civil2012进行建模计算分析。全桥共计233个节点，288个单元，共分为59个施工阶段。

图2 计算模型下载原图

2.2 计算荷载

一期恒载:混凝土容重取26kN/m3，钢材容重78.5kN/m3;

二期恒载:桥面铺装+防撞墙，取64.8kN/m。

采用公路Ⅰ级，车道荷载横向分布调整系数经计算采用3.082。

汽车荷载冲击系数，根据计算取用0.05[4]。

温度荷载[4]包括结构的整体温度升降和梯度温度升降。箱梁的合龙温度为10～15℃为，整体温度升降工况中，取结构最高温度34℃，最低温度-3℃。主梁截面温差取9cm厚沥青铺装对应的梯度温度值，桥面板表面的最高温度T1=15.2℃，转折点的温度T2=5.74℃，负温差取正温差值的-0.5倍，T1=-7.6℃，T2=-2.87℃。

基础不均匀沉降取10mm。

2.3 静力计算结果

全桥主要结算结果如图3、表1所示。

图3 主梁弯矩图下载原图

表1 主梁计算结果下载原图

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[5](JTG 3362—2018)要求:主梁承载能力极限状态和正常使用阶段极限状态满足规范要求。

3 主墩稳定性计算

3.1 结构稳定性分析理论

稳定性问题分为两大类，第一类为分支点失稳问题，第二类稳定问题是极值点失稳问题，不论是丧失第一类或第二类稳定性，对工程结构都是不允许的，因为它们都使得结构不能维持原来的工作状态，或者使其丧失承载能力。

稳定计算的中心问题在于确定各结构的临界荷载，第一类稳定问题是求解特征值，在实际工程中容易使用大型有限元软件求得结果，且第一类稳定问题的临界荷载是两类稳定问题的上限值，因此工程上通常通过求解第一类稳定问题来判断结构的稳定性[6]。

3.2 结构稳定性分析结果

本桥共分为5个工况来计算最大悬臂状态的稳定性。施工阶段的风荷载根据规范规定计算[7]:悬臂施工的桥梁，除了对称加载外，还应考虑不对称加载的工况，在横向不对称风载作用下，按悬臂左侧承受100%的风载，右侧承受50%的风载。纵向风荷载按横桥向风荷载风压的70%乘以桥墩迎风面积。竖向风压取横向风压的0.4倍，悬臂左侧作用100%竖向风压，悬臂右侧50%。

梁端自重差按悬臂一端超出计算重度的3%、一端低于计算重度的3%考虑。挂篮荷载取值为1075kN计算。施工不平衡荷载按在T构左侧端头作用20t的集中力并考虑悬臂左侧8.5kN/m的均布荷载，右侧无。工况1:自重;工况2:自重+横桥向风力;工况3:自重+纵桥向风力;工况4:自重+梁端自重差+施工不平衡荷载+挂篮荷载(正常);工况5:自重+梁端自重差+施工不平衡荷载+挂篮荷载(一侧挂篮跌落，计入0.2冲击系数)。

表2 主墩稳定性计算结果下载原图

各种工况下临界荷载系数均大于4，说明桥梁在最大悬臂状态下稳定性满足要求，且均有较大的安全储备。

4 结语

详细介绍了黄虎港大桥的设计和计算过程，计算结果表明强度、稳定性等均满足要求。高墩连续刚构桥梁最大悬臂状态下的稳定性关系到桥梁的成败，应该与桥梁强度计算放在同样的高度。

参考文献

[1] 张来福，杨晓东．逢石河特大桥主桥设计[J]．世界桥梁，2010(4):8-11.

[2] 万麟，陈冠桦．西溪河特大桥主桥设计[J]．交通科技，2015(5):8-10.

[3] 张敬天，王存国，万小军．高墩大跨连续刚构稳定性分析[J]．四川建筑，2010(4):191-193.

[4] 中华人民共和国交通运输部．公路桥涵设计通用规范:JTG D60—2015[S]．北京:人民交通出版社，2015.

[5] 中华人民共和国交通运输部．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG 3362—2018[S]．北京:人民交通出版社，2018.

[6] 郭森，孟园英．基于特征值屈曲分析的高墩大跨连续刚构桥稳定性研究[J]．城市道桥与防洪，2021(8):275-278.

[7] 中华人民共和国交通运输部．公路桥梁抗风设计规范:JTG/T3360-01—2018[S]．北京:人民交通出版社，2018.