250m高墩大跨度连续刚构桥的非线性稳定分析.doc

250m大跨度连续刚构桥的结构分析
曾志刚 舒春生
（甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司 甘肃 兰州 730030）
摘 要：目前实行的JTG D62-2004规范对梯度温度效应计算方法进行了修正，温度效应明显大于原规范计算值，短期组合作用下拉应力的控制也比以前严格。250m以上的大跨度连续刚构桥的设计难度相应增大。本文以本池沟特大桥设计为例，分别进行了结构静力计算和动力计算，按照目前实行的JTG D62-2004规范进行了成桥阶段各项检算。计算结果表明，由于本池沟大桥桥面宽度较窄，通过预应力钢束的优化，实现了全预应力混凝土设计的要求。自振特性分析结果表明动力性能良好。研究成果对大跨度连续刚构桥的设计具有一定的借鉴作用。
关键词：连续刚构桥；静力计算；动力计算；自振特性
中图分类号： 文献标识码：
Constructrue Analyse about 250m-Span Contrinuous Rigid Frame Bridge
ZengZhigang ShuChunsheng
( Gansu Province Transportation Planning, Survey &Design Institute CO., LTD.,Gansu ,Lanzhou 730030)
Abstract: Current JTG D62-2004 norm of the gradient method of calculating temperature effects has been amended, the temperature effect than the original normative values, the role of short-term combination of drop-down control of stress than before Strict. More than 250m of long-span continuous rigid frame bridge design difficult to increase accordingly. In this paper, the pool Ditch Bridge design as an example, namely the structural calculation of static and dynamic calculation, in accordance with current norms JTG D62-2004 bridge phase carried out the calculation. The results show that, as the pool deck the width of a narrow ditch bridge, through the optimization of prestressed steel beam to achieve a full pre-stressed concrete design. Vibration characteristics analysis showed that a good dynamic performance. Results of research on large-span continuous rigid frame bridge design has a certain reference.
Key words: Contrinuous Rigid Frame Bridge;Static calculate; Dynamics calculate;natural vibration characteristic

0 引言
连续刚构是在T形刚构桥和连续梁的基础上发展起来的，T形刚构不需要大吨位支座，但伸缩缝多，影响了行车的舒适性，而且挂梁处或铰接处存在转角不连续，因此不适合高速交通的发展。连续梁桥桥面平顺，行车舒适，但需体系转换和大吨位支座。连续刚构吸取了两者的优点，采用双薄壁墩来减小温度力。连续刚构桥外形尺寸小，桥下净空大，桥上视野开阔。预应力凝土刚构桥常用于高墩大跨桥梁，且具有较好的技术经济性，其桥型方案主要采用连续刚构。
目前国内桥梁实例中最大跨度的连续刚构桥虎门辅航道桥主跨为270m，该桥是按照JTJ 023-85 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范设计的。而目前实行的新规范JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范对梯度温度效应计算方法进行了修正，温度效应明显大于原规范计算值。另外，JTG D62-2004规范对短期组合作用下拉应力的控制也比以前严格。鉴于以上考虑，250m以上的大跨度连续刚构桥的设计难度相应增大。本文以本池沟特大桥设计为例，分别进行了结构静力和动力计算，研究成果对大跨度连续刚构桥的设计具有一定的借鉴作用。
1工程背景
本池沟特大桥在初步设计阶段，上部结构选用140+250+140连续刚构桥，中孔250 m跨越主沟，如图1所示。主梁采用单箱单室箱形截面，箱梁按三向预应力设计。桥墩根部中心梁高14.0m，高跨比为1/17.8，跨中中心梁高为5.0m，高跨比为1/50，箱梁顶板宽10.0m，底板宽5.0m，翼缘板悬臂长2.5m，0号块以外箱梁高度由14.0m至5.0m按1.8次抛物线变化。箱梁底板厚度从跨中向支点由0.32m至1.3m按二次抛物线变化；箱梁顶板厚度正常段为0.28m，桥墩支点附近由0.28m至0.45m线性变化；腹板厚分为40cm、70cm和100cm三种，腹板厚度变化均在同一个梁段内完成，并按线性变化。在墩顶0号块薄壁箱形墩薄壁对应位置设置两个2.5m与墩壁等厚的横隔板，其余横隔板厚度0.8cm。横坡通过顶板形成2.0％双向横坡，梁高以室箱梁中心线处为准。

图1 连续刚构桥桥型布置(单位：m)
桥墩采用钢筋混凝土箱形薄壁墩，墩高58m。桥墩单壁厚2.5m，宽5.0m，墩壁中心间距为9.5m。承台平面尺寸12.2m(横)×13.0m（纵），承台厚4.0m，基础为9根φ200cm钻孔灌注桩，纵向对应薄壁墩中心线布置。桥台为钢筋混凝土柱式桥台，采用2φ150cm钻孔灌注桩基础。
箱梁采用挂篮悬臂施工，中跨、边跨合龙段长度均为2.0m，梁段最大重量为270吨，挂篮自重按140吨考虑。施工过程中需进行监测监控，对施工各阶段发生的误差进行调整，以控制主梁成桥后的线形，确保在施工过程中结构受力状态和变形处于设计值的安全范围内，并使结构处于理想的受力状态。同时需要组织现场观测，观测内容包括施工全过程梁顶高程、墩顶变位、梁体温度、控制截面应力状态等。以实测参数预测施工预拱度，提供和梁段立模标高，确保成桥线形与设计吻合。需要进行C60高标号混凝土的材料配合比试验，测定不同龄期的收缩和徐变系数、强度及弹性模量等，以作为预应力计算和施工控制的依据。
2 桥梁计算模型
本文采用基于全桥模型和有限元的分析方法，在全桥范围内（包括上部结构和下部结构）采用有限元计算分析，即建立整座桥梁完整、统一的分析体系，采用空间梁单元模型。在此基础上进行大规模的全桥结构效应计算，模型主要部分如图2所示，全桥计算模型共划分396个单元，302个节点。

图2 本池沟特大桥有限元模型
在MIDAS软件计算中，采用等效荷载法计算预应力效应。预应力钢束在有限元程序中的描述采用两个步骤。首先在局部坐标系下描述预应力钢束几何尺寸和形状，然后定义局部坐标和总体坐标系的方位。主墩横梁预应力钢束等截面原则把顶板束和底板束分别合并为一束，左腹板束和右腹板束分别合并为一束，除此之外的预应力钢束皆按设计图中的坐标逐根输入。
计算荷载包括：恒载、活载（公路-Ⅰ级荷载）、基础变位力、温度荷载和预加力等， 其中温度荷载项按规范规定温度场进行局部温差效应计算，体系整体升温按24℃、体系整体降温按-20℃计入，自重根据结构的密度和体积由计算软件自动计算；二期恒载考虑了防护栏
杆、铺装层、人行道板等的重量，按均布荷载施加。
3 结构静力分析及结果
本文采用基于全桥模型和有限元的分析方法，在全桥范围内（包括上部结构和下部结构）采用有限元计算分析，即建立整座桥梁完整、统一的分析体系，采用空间梁单元模型。在此
图3-图4给出了理想成桥状态主梁运营阶段应力包络值，由图中可看出，运营状态的最大应力包络值均小于设计容许值，且主梁全截面受压，实现了全预应力混凝土设计的要求，表明运营中结构不会出现裂缝，得到了受力较优的成桥状态。

图3 运营阶段主梁上缘应力包络图

图4 运营阶段梁下缘应力包络图
4 结构动力特性计算
对于大跨度连续刚构桥梁的模态分析，有限元分析中应考虑几何非线性效应，此时单元刚度矩阵应由三部分组成：
（1）
式中：为单元切线刚度矩阵；为线性分析时的单元刚度矩阵；为单元的初应力刚度矩阵；为单元的初始位移矩阵。
自由振动控制方程为：
（2）
式中，为整体结构质量矩阵；为整体节点位移列阵；为整体结构刚度矩阵，即切线刚度矩阵。
表1 自振特性计算结果
模态号
振型描述
频率
1
主梁纵漂桥塔弯曲振型
0.207
2
主梁一阶正对称横向弯曲振型
0.210
3
主梁一阶反对称横向弯曲振型
0.343
3
主梁一阶正对称竖向弯曲振型
0.569
将式(2)转换为标准特征值问题用子空间迭代法求解，计算结果见表1。由于桥墩墩高较大,纵向弯曲刚度较弱,本桥首先出现了主梁纵漂、桥塔弯曲的振型，响应的振动频率为0.207Hz；另外，桥面宽度仅10.0m，加劲梁的横向刚度较弱，连续刚构桥第二阶出现了横向一阶正对称弯曲的振型，相应的振动频率为0.210Hz，与第一阶振动基频较为接近；主梁竖向弯曲振动频率在第四阶才出现，振动频率为0.569Hz，说明本桥主梁竖向抗弯刚度较强。

图3 主梁纵漂桥塔弯曲振型 图4主梁一阶正对称横向弯曲振型

图5主梁一阶反对称横向弯曲振型 图6主梁一阶正对称竖向弯曲振型
5 结论
以本池沟特大桥设计为例，通过有限元分析，得到了大桥运营阶段主梁的应力包络值，通过结构尺寸优化和预应力钢束调整，实现了全预应力混凝土设计的要求，表明运营中结构不会出现裂缝，得到了受力较优的成桥状态。其根据动力分析结果，由于桥墩墩高较大,纵向弯曲刚度较弱,首先出现了主梁纵漂、桥塔弯曲的振型，受桥面宽度的影响，加劲梁的横向刚度较弱，连续刚构桥第二阶就出现了横向弯曲的振型，主梁竖向弯曲振动频率在第四阶才出现，说明本桥主梁竖向抗弯刚度较强。研究成果为同类大桥的设计与计算工作具有一定理论指导作用。

参考文献:
[1] JTG D62-2004[S] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范．
[2] JTJ 023-85，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]．
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[6]夏 勇，裴若娟．广珠准高速铁路东海西江大桥0号块空间分析[J]．桥梁建设，1997(4)：74-77
[7]王华彬等，三维桩一承台一墩的自振特性分析[J]，长沙铁道学院学报，1999，17(2)：74-79

作者简介：

曾志刚：
　　男，1981出生，助理工程师，2000年就读于重庆交通大学桥梁工程专业，获工学
本科学位，2004年至今在甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司工作，从事桥梁结
构设计与计算方面的工作。邮编730030。

投稿日期：2009.2.7

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