预应力混凝土连续刚构桥设计与探讨.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）增２００８５０３・设计咨询・张莉（中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉４３００６３）摘要：对于预应力混凝土连续刚构结构，梁部内力的分布受梁体刚度、桥墩刚度、桩基刚度、地质情况等的相互影响。以铁路（２４＋３２＋２４）ｍ连续刚构桥为背景，分析、探讨预应力混凝土连续刚构桥设计基本理论、方法以及下部结构对梁体受力分布的影响。关键词：连续刚构桥桥墩刚度桩基刚度梁体受力中图分类号：Ｕ４４２．５文献标识码：Ａ—ＢＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．Ｓ２．０２２ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆＰＣＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＲｉｇｉｄＦｒａｍｅＢｒｉｄｇｅＺｈａｎｇＬｉ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｏｒｔｈｅＰＣｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ，＋ｇｉｄｆ渤ｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｅａｍｉｎｔｅｍａｌｆｏｒｃｅｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｂｅａｍ，ｐｉｅｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｅｔｃ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒａｉｌｗａｙ（２４＋３２＋２４）ｍｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｉｇｉｄｆｌａｍｅｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｄｅｓｉｇｎｏｆＰＣｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｉｇｉｄｆｒａｍｅｂｒｉｄｇｅａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｂｅａｍｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｉｇｉｄｆｒａｍｅｂｒｉｄｇｅ；ｐｉｅｒｒｉｇｉｄｉｔｙ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｎｂｅａｍ１引言近年来，铁路建设迅猛发展，预应力混凝土连续刚构结构在铁路中应用日益普遍，预应力混凝土连续刚构桥有如下优点：（１）墩梁固结，梁体部分弯矩由墩柱承担，从而减少跨中弯矩峰值，减小主梁截面高度，节约了材料；（２）桥面伸缩缝少，行车舒适，平顺度好；（３）横桥向抗扭刚度与纵桥向抗弯刚度较大，有利于大跨径桥梁的施工运营；（４）抗震稳定性优于梁桥，横桥向水平力可以分配给各个桥墩，无需设置抗震支座；（５）连续刚构桥整体外形美观，相比同跨径连续梁结构尺寸小，增大桥下净空，开阔视野，技术经济性更好。综合以上优点，连续刚构桥广泛应用于世界桥梁领域。但是，连续刚构是一种墩梁一体共同参与工作的超静定结构，墩、梁、桩基刚度相互影响，受力复杂，混凝土收缩徐变、温度变化、墩台不均匀沉陷和预应力等因素都会在结构中产生附加应力¨。１。鉴于连续刚构梁结构受力的特殊性，本文以穗莞深城际铁路（２４＋３２＋２４）ｍ连续刚构桥为背景，分析、探讨预应力混凝土连续刚构桥设计的基本理论、方法以及下部结构优化等方面的问题。２工程概况穗莞深城际铁路（２４＋３２＋２４）ｍ连续刚构桥有如下特点：（１）本桥址处桥下设计水位受限，不允许设置活动支座。（２）由于设计洪水位和线路设计标高的限制，跨中梁高仅限１．６ｍ，墩高较矮仅３．５ｍ。（３）无砟轨道，单线，小曲线半径，梁全长为８２ｍ，边支座中心至梁端为０．６５ｍ，单端梁缝５ｃｍ，桥型立面布置示意见图１。篷霎昙羿：翟亲ｉ１０３９８０一！｛奇Ｔ程师丰兽从事桥粱设计Ｔ作．图１桥型立面布置示意（单位：ＣＦｎ）作者简介：张莉（一），女，工程师，主要从事桥梁设计工作。图ｌ舒ｒ型卫回仲直不思Ｉ旱化：『１Ｊ铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｌ增２）万方数据・设计咨询・（４）地质资料：桩底混合花岗岩，弱风化，Ｖ，盯。＝１０００ｋＰａ，桩侧土为粉质黏土和粗砂混合。３结构形式及计算参数３．１结构形式本结构为正交刚构连续梁，中墩固结。梁体截面型式：实体板梁，刚壁墩根部梁高２．６ｍ．其余部位梁高均为１．６ｍ。桥面宽度：桥面板顶宽７．２ｍ，底板宽３．７６ｍ。墩身纵向尺寸１．３ｍ，横向为圆端形截面，矩形尺寸３．７６ｍ，圆端形半径０．６５ｍ。承台纵、横向尺寸：４．８ｍｘ５．９ｍ，每个桥墩下各设４根直径１．０ｍ柱桩。结构中支点横断面见图２。１’’－～ｏｏ一矗＾ｄ斟梁体采用强度等级Ｃ５０混篓糕慧熙黧。同慧譬昙言翥篇等级的补偿收缩混凝土，结构…”’…’～一～防撞墙及电缆槽竖墙采用强度等级Ｃ４０混凝土。桥墩立柱采用强度等级Ｃ４０混凝土，承台及桩基采用强度等级Ｃ３０混凝土。梁体纵向采用１７一蛔１５．加和１５一捌１５．加预应力钢绞线。采用两端张拉方式，张拉控制应力为Ｏ．７５厶。３．２主要设计参数（１）梁体自重：按２６．５ｋＮ／ｍ计；（２）二期恒载：直线９２．５ｋＮ／ｍ，曲线９８．５ｋＮ／ｍ；（３）活载：ｚＣ标准活载；℃（４）纵向温度荷载：按整体升降、温２０，顶板℃局部按无砟轨道实体截面顶板升温８考虑【４ｏ；≤（５）设计行车速度为１６０ｋｒｎ／ｈ；（６）线路隋况：单线，曲线，曲线半径Ｒ＝９００ｍ；（７）施工方法：桥位现浇法；（８）地震烈度：本结构适用于设防烈度７度及以下地区；（９）基础不均匀沉降：相邻两支点不均匀沉降Ａ＝０．０１ｍ：（１０）混凝土收缩徐变：环境条件按野外一般条件计算；（１１）风力：按《铁路桥涵设计规范》（ＴＢ—１０００２２０１７）第４．４．１条计算。４结构模型和计算４．１结构模型的建立结构分析、计算运用ＢＳＡＳ通用有限元软件，建８６钐｝道建翁技术立梁单元模型，如图３所示，梁单元划分为１～４６，墩单元划分为４７～５２，承台单元划分为５３～５４，桩基单元划分为５５～５６。１５号、３３号节点为梁部中支点，４８号、５２号节点为墩顶节点，结构中的墩梁一体在建模时采用墩顶节点分别从属于梁体节点模拟墩梁固结。桩基与大地的连接采用固定支座模拟，桩基刚度计算采用１ＴＩ法，在模型中以弹簧的形式赋值于桩基与承台相接的节点，模拟桩基刚度。计算桩基刚度时，桩侧土地基比列系数巩取值按８—０００５００两种情况包络计算。图３连续刚构计算模型４．２主梁结构计算以地基比列系数Ｈｍ＝５００的桩基刚度计算梁体跨中最不利截面，在长期效应荷载作用下，正截面计算结果表明主梁均不出现拉应力，主＋附作用下最大压应力１３．１９ＭＰａ，最小压应力０．６２ＭＰａ；最小主应力一０．３２ＭＰａ；下缘抗裂系数最小值１．３４ＭＰａ；正截面强度最小值２．７ＭＰａ。梁体最大主拉应力为０．８５ＭＰａ。以上计算结果均满足《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（ＴＢ—１００９２２０１７）＂１要求。４．３主墩结构计算本桥墩高３．５’ｍ，桥墩较矮冈０度较大。当地基比列系数巩＝８１３００时，桩基刚度值最大，以此刚度值计算墩顶和墩底位置的截面受力情况。桥墩计算中，纵、横向控制荷载组合情况按主力＋附加力分别进行组合。桥墩计算结果表明该桥纵向计算最为不利，按极限承载力状态的偏心受压构件，对该桥使用阶段纵、横向承载能力和裂缝进行检算后均满足《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（ＴＢ—１００９２２０１７）要求。５结构关键技术分析５．１主墩设计理论桥墩是连续刚构中重要的传力构件，在受力、变形上具有自身特性。设计桥墩的关键是确定截面尺寸和墩高，而墩身刚度量化地反应了截面特性，即横向抗扭刚度、抗弯刚度和纵向抗推刚度。刚构桥墩梁固结一体，墩、梁之间的刚度差异会影响墩、梁体内内力的分配睛况，若墩身刚度较大，则从梁体分配得到的内力也较大，墩顶处的负弯矩也因此较大，不利于ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｌ增２）万方数据・设计咨询・箱梁顶板受力；若墩身刚度过小，墩本身稳定性不利，对梁体分担的力也过小，不利于梁体受力。因此墩刚∞度设计对刚构结构受力的影响很大Ｊ。（１）抗推刚度影响桥墩抗推刚度大小的因素，除了结构本身的截面特性，还有结构的纵向位移和内力。因为连续刚构桥属于超静定结构，混凝土收缩、徐变、温度效应均会使主梁产生纵向位移，其作用效应会传递到与之相固结的桥墩上，墩柱需要与这种变形相协调，其抗推刚度不能过大，否则，会使结构产生较大的次内力。但是，如果抗推刚度过小，当主梁在最不利工况下时墩顶也会产生较大的水平位移、转角位移，墩身的剪力和弯矩会迅速增大，同时产生的附加弯矩较大一。８Ｊ。桥墩抗推刚度的理论计算可以通过简化计算模型推导求得。本文仅介绍单墩抗推刚度常用的计算公式：因主梁墩顶位移约束包含水平位移和转角位移，所以计算模型简化为，。主梁对墩顶仅有位移约束，而无转角约束。墩底刚度相对承台和基础很小，可简化为固结作用。计算模型如图４所示。图４计算简化图图４中所示情况等效于悬臂柱，其应变能为：ｕ＝ｒ普２以＝器㈩由卡式第二定理，顶端产生的水平位移为：一一ＯＵ一箜ｒ¨“一ａｐ一３Ｅｌ‘、７因此，单墩的抗推刚度为：Ｋ＝３ＥＩ／Ｌ３（３）式中，Ｑ为水平推力；Ｌ为墩高；Ｅ为弹性模量；，为惯性矩；Ｕ为应变能；肛为水平位移；Ｋ为抗推刚度。（２）抗弯刚度单墩截面的顺桥向惯性矩为：，＝ａｂ３／１２（４）式中，，为眵雅Ｅ矩；口为桥墩横桥向宽；６为桥ｊ敦Ｊ颐桥向宽。５。２主墩优化设计（１）调整墩梁相接处梗肋尺寸墩、梁刚度影响梁部受力的分布，因梁高截面尺寸受水位所限，为了设置合理的墩、梁刚度及梁高尺寸，墩身与纵梁之间设置合理尺寸的梗肋，以有效地改善刚构桥的受力条件。（２）桥墩尺寸的优化设计本结构桥墩受地质线位条件限制，设计墩高３．５Ｉｎ，桩基按４根直径１．０ｉｎ柱桩布置。为了考察刚构桥墩刚度大小对梁部受力的分布情况影响，本文将选取３种墩身截面尺寸，分别计算墩身刚度，并针对每种刚度计算梁部墩顶和跨中控制点位置受力情况，进行对比，计算结果见表１。表１不同截面桥墩刚度下梁体内力分布数值墩高墩宽墩厚弹性模量顺桥向抗弯抗推刚度墩顶弯矩墩顶轴力墩顶跨中截面应力ｏ＇／ＭＰａ∥ｍａ／ｍｂ／ｍ’正／ＭＰａ刚度ｌ／ｍ４肜（ｋＮ・ｃｍ。）Ｍ／（ｋＮ・ｍ）Ｎ，ｋＮ剪力Ｑ／ｋＮ主力主＋附３．５５．０６１．６３．４０Ｅ＋０４１．７２７４１０８５．４８６６１９９２７３ｌ７９０２．２９１．２３３．５５．０６１．４３．４０Ｅ＋０４１．１５７２７５２５．９４５９５６９２５５１７５４２．２９１．２５３．５５．０６１．３３．４０Ｅ＋０４０．９２６２２０３０．９２５４４３９２４２１７２４２．２９１．２７从表１可以看到，墩身刚度与截面尺寸成正比关系，墩顶、墩底内力分配与墩身刚度成正比，而梁体跨中截面应力与墩身刚度成反比，尤其在附加力作用下，这种特性更突出，而梁部附加力主要是温度，说明刚构结构的受力受温度的影响较大。（３）桥墩墩高控制设计相同的孔跨结构在不同线位条件下，为了考察刚构墩高的不同对桥墩刚度的影响及梁部受力的变化情况，本文将选取３种墩高，分别计算墩身刚度，针对每种刚度计算梁部墩顶和跨中控制点位置受力情况，进行对比，计算结果见表２。表２不同墩高对应梁体内力分布数值墩高墩宽墩厚弹性模量顺桥向抗弯抗推刚度墩顶弯矩墩顶轴力墩顶跨中截面应力ｔｒ／ＭＰａＬ／ｍａ／ｉｎｂ／ｍＥ／ＭＰａ刚度ｌ／ｍ４∥（ｋＮ・ｃｍ。）Ｍ／（ｋＮ・ｍ）Ｎ，ｋＮ剪力Ｑ／ｋＮ主力主＋附３．５５．０６１．４３．４０Ｅ＋０４１．１５７２７５２５．９４５９５６９２５５１７５４２．２９１．２５１０５．０６１．４３．４０Ｅ＋０４１．１５７１１８０．１７４３７２９１７４７６１２．５１１．６８１５５．０６１．４３．４０Ｅ＋０４１．１５７３４９．６９３６０７９１２６４４９２．６ｌ１．９２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｔ增２）（下转第１２１页）万方数据・桥梁工程・［６］赵伟．山区大跨径斜拉桥合龙段施工［Ｊ］．城市道桥与—防洪，２０１５（７）：１８７１８９．［７］刘继先，胡文柱，赵东升．连续刚构桥无顶推合龙施工—技术的应用［Ｊ］．施工技术，２０１７，４６（１４）：８７９０．［８］周栋梁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