大跨连续刚构桥桥梁设计要点分析

大跨连续刚构桥桥梁设计要点分析

随着交通事业的不断发展和技术的不断进步，处于复杂桥址如山区、河谷和江河的桥梁数量增长迅速。预应力混凝土刚构桥有着跨径大、整体性能好、受力合理、施工难度低等诸多优势，因此愈发受到设计单位的青睐。有鉴于此，本文中结合具体案例分析大跨连续刚构桥桥梁设计要点，分析设计过程中需要注意的问题，并给出具体解决措施。

标签：大跨连续刚构桥；桥梁设计；要点分析

1、引言

随着1988年洛溪特大桥的建成通车，我国大跨径连续刚构桥梁的技术已经达到国际领先水平。在全国范围内，大量推广应用连续刚构结构，建设了多座长大桥梁，使我国公路桥梁事业的发展进入了快车道。大跨连续刚构桥在高桥墩和大跨径的地质环境中较为常见，其优势在于可通过墩梁基础三点共同受力的方式，对桥梁整体结构受力问题进行有效控制。

2、大跨连续刚构桥优点

大跨高墩预应力混凝土连续刚构桥梁外形尺寸相对较小、桥下空间大、视野开阔，且具有较好的经济技术性，一般为优先考虑的桥型方案。其特点如下：

不用设置和安装支座，减少工序，节约材料。大跨径桥梁支座的安装、运营过程的维护及后期的更换一直是其无法根本解决的问题；因高墩构造需要有一定的柔度，使其构造尺寸大大减小，减少了桥墩构造及桥梁下部的材料数量，节省了造价；一般有2个或2个以上的墩梁固结，具有良好的抗震性能。墩梁固结使多个墩共同抵抗地震力，无需设置制动墩或抗震支座；相较于大跨径连续梁桥，施工方便。不用设置墩梁临时固结，也不需要进行体系转换，增加了经济效益，降低了施工安全风险；上部结构仍为连续梁的受力特点，必须考虑超静定造成的附加内力，如混凝土温度变化、收缩徐变，各种外部变形产生的次内力，因此桥墩必须要有一定的柔度，以减少次内力带来的不利影响。为适应上部结构纵向伸缩需要，1联桥梁端部的边墩需设置支座，并设置伸缩缝。

3、大跨连续刚构桥桥梁设计问题

刚构桥起源于20世纪50年代，随着施工材料、施工工艺与计算手段的优化，促使大跨连续刚构桥出现在人们视野中。大跨连续刚构桥在高桥墩和大跨径的地质环境中较为常见，其优势在于可通过墩梁基础三点共同受力的方式，对桥梁整体结构受力问题进行有效控制。在优点凸显的过程中，缺点也会随之显露，下文主要针对大跨连续刚构桥桥梁设计问题进行详细阐述。

3.1分孔比例

针对大跨连续刚构桥其边跨、中跨比例的确定，桥梁整体布局和自然条件应协调，对梁体内力合理分布。目前，国内已投入使用的大跨连续刚构桥边跨和中跨比例在0.5～0.692范围，而美国HOUST刚构桥边中跨比例为0.5，仅有少部分连续刚构桥比例在0.6以上。据相关理论研究结果显示，当大跨连续刚构桥边跨和中跨比例在0.54～0.56间，不仅可以使中墩内基本没有恒载偏心弯矩，而且因边跨合拢段较短，可在边跨悬臂端以导梁支承于边墩上，或与引桥的悬臂相连来实现边跨合拢，施工简便易行，目前连续刚构的边、主跨跨径比趋向于这个范围。

3.2截面高度

连续刚构桥支点处的梁高一般采用跨径的1/15～1/20，较为常用的是1/18；跨中截面处的梁高一般采用跨径的1/30～1/50。变截面梁底面的线形变化规律可采用圆弧线、二次抛物线或折线等，较为常用的是二次抛物线。

3.3温度内力

在避免大跨连续刚构桥梁墩固结的问题出现，对其温度内力实施控制，具体措施如下：首先，降低桥墩抗推刚度。从理论学的角度，桥墩抗推刚度、温度内力是正比，若因桥梁墩身不足，可以选择柔性桩基方式，将其抗推刚度控制在最小范围内；其次，对桥梁总长的限制。随着桥梁建设水平的提升，促使大跨联系钢构桥总长得到有效增加，目前国内最长刚构桥长度为1060m；最后，合拢温度。采用悬臂式浇筑法，在梁段浇筑工作结束后，实施大跨连续刚构桥主梁合拢工作，其具体包含中跨合拢、边跨合拢两项内容，合拢工作应在梁段浇筑后标准温度内完成。

3.4通航防撞

针对江河或海峡等条件下的大跨连续刚构桥建设，其双薄壁桥墩应避免与船舶撞击力相接触，通过人工防撞岛、防撞设施和分离防撞岛的建设，减缓船舶撞击力。

3.5结构分析

大跨连续刚构桥主桥结构设计中，采用桥梁纵向计算、内力计算和墩身结构影响等方面进行分析：首先，桥梁纵向计算。依据大跨连续刚构桥实际特点、阶段分解等原则，实现节点与单元的合理划分，其桥梁荷载应包含荷载和活载、汽车制动力与温度荷载、风力以及支座摩擦力等内容，通过对桥梁结构内力、应力与位移的计算，加之混凝土浇筑与挂篮就位、预应力张拉等环节的运用，确保桥梁纵向计算结果的准确度；其次，桥梁内力计算。主要依据弹性支承平面框架原理，实施科学计算工作，而汽车荷载纵向标准需以温度、预应力为前提，因此桥梁温度与预应力要进行综合考量；最后，墩身结构影响。由于大跨连续刚构桥墩梁固结受到温度、混凝土收缩力与汽车制动力的影响，加之桥梁多数处于大型峡

谷附近，因峡谷风效应的制约，对于桥梁稳定与抵抗强度有着更为严格的规定，用以实现对风荷载的控制。

4、大跨连续刚构桥桥梁设计技术要点

4.1线性控制

目前常用Midas Civil v8.3.2空间有限元分析软件进行大跨连续刚构桥结构分析模型建立，用以完成桥梁施工及成桥节段数据计算与分析工作。一般情况下主梁、桥墩等部位选用梁单元作为模拟量，结合刚壁连接的使用，合理控制大跨连续刚构桥主梁和桥墩间横向自由度、竖向自由度以及扭转自由度，同时结合桥梁参数、設计工序等条件，对桥梁成型状态进行确定，按规范各荷载工况进行组合，判断不同状态下桥梁结构变形量与受力问题。大跨连续刚构桥应力控制原理为依据桥梁实际应力值，结合应变规律，以弹性模量为参考，对桥梁预应力进行合理运算，一般按《预应力混凝土用钢铰线》（GB∕T 5224-2014）选用松弛度低、强度高、抗拉力为1860兆帕、弹性模量为195000兆帕的预应力钢绞线，并根据各组合工况进行调束，满足正常使用极限状态及承载能力极限状态各项要求。4.2下部结构控制

根据上部结构形式及尺寸，地形及地质情况，选取合理的墩柱结构形式尤为重要。由于高墩的刚度较小，矮墩的刚度较大，故在同样的顶推力作用下会产生不同的位移量。为了使得顶推时高墩和矮墩产生的位移量尽量接近，需要增大高墩的抗推刚度，结构设计时可以考虑增加配筋或者调整截面形式。在活载的作用下，随着高墩抗推刚度的增大，高墩自身所受的弯矩减小，而轴力、剪力增大；同时矮墩的弯矩、剪力增大，轴力减小，设计时应特别注意此类问题，保证结构设计安全可靠。

4.3挠度控制措施

大跨度连续刚构桥，由于跨径大，几何非线性效益明显，开裂与跨中持续下挠相互恶化，当腹板开裂时，剪切刚度下降，其中的剪切变形也会影响很大。故其实际挠度可能会比计算结果大出很多。目前的理论较难准确计算预拱度，故设计时，应设置足够的预拱度，根据国内大型刚构桥梁的挠度监测，建议主跨按其跨度的L/1400～L/1000起拱。

充分考虑施工阶段及成桥运营阶段材料的依存特性。混凝土材料具有较强的时效性，其徐变会产生徐变次内力，对结构不利，此时往往会增大中跨的竖向挠度及增大开裂的可能性。

增加后期可供加固的构造措施。预留足够的预备钢束通过孔，或预留以后增加体外预应力的装置。现如今公路运输超载问题严重，交通量增大，在长期荷载的作用下，桥梁结构出现下挠增大，开裂等破坏状况，使用一定年限后需要进行加固维修，保证结构安全可靠。