刚构―连续组合梁桥与连续刚构及连续梁桥结构对比分析
时间：2022-08-10 09:52:35
【摘要】依托某座大跨径预应力混凝土刚构-连续组合梁桥，将刚构-连续组合梁桥与连续刚构桥和连续梁桥进行对比分析，探讨了大跨径预应力混凝土刚构-连续梁桥的力学特点和使用性能，揭示该桥型在此类结构设计上的优势，对进一步拓展刚构-连续组合梁桥的科学应用，完善相应的结构对比分析系统具有重要的参考价值。
【关键词】刚构-连续组合梁桥，整体受力分析，预应力混凝土，对比分析
1 概述
连续梁结构体系通常可分为连续梁桥、连续刚构桥和刚构-连续体系梁桥。刚构-连续组合梁桥是连续梁桥与连续刚构桥的结合体，通常是在一联连续梁的中部或数孔采用墩顶固结的刚构，边部数孔设置支座的连续梁结构。这些桥型在施工阶段的受力状态相近，可采用相同的悬臂施工方法。
墩身内力与其顺桥向抗推刚度和距主梁顺桥向水平位移变形零点的距离密切相关。抗推刚度小的薄壁式墩身能有效地降低其内力，但随着联长的加大，墩身距主梁顺桥向水平位移变形零点的距离亦将加大，在温度、混凝土收缩徐变等荷载的作用下，墩顶与主梁产生很大的顺桥向水平和转角位移，墩身剪力和弯矩将迅速增大，同时产生不可忽视的附加弯矩，致使刚构方案无法成立。在结构上将墩身与主梁的固结约束予以解除而代之以顺桥向水平和转角位移自由的支座，这样就变成刚构-连续组合梁的结构形式。于是边主墩墩身强度问题得以解决，且在一定条件下联长可相对延长。可见，刚构-连续组合梁是连续梁和连续刚构的组合，它兼顾了两者的优点而扬弃各自的缺点，在结构受力、使用性能和适应环境等方面均具有一定的优越性。
本文以某座主跨布置为48+80+80+48=256m的预应力混凝土刚构-连续组合梁桥为例，通过与连续刚构桥及连续梁桥的比较分析，进一步研究各体系的受力特点和使用性能。
2结构体系受力分析
2.1 设计实例介绍
该桥主桥上部结构为预应力变截面刚构-连续箱梁组合结构，采用单箱双室断面，采用三向预应力体系，采用挂篮悬臂浇筑施工方法;汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，人群荷载为2.85KN/m2;桥梁下部基础为钻孔桩基础，主墩采用2.5m厚单肢空心薄壁墩，其中，21#主墩与箱梁固结（墩高为9.154m），20#、22#边主墩墩顶设速度锁定支座与箱梁联结（墩高为8.137m）。主桥总体布置和箱梁横断面分别如图1和如图2所示。
2.2结构体系对比分析
在维持主跨规模不变的前提下，为了寻求一个受力合理、结构安全、适用美观的方案以及探讨刚构-连续组合梁桥静动力受力性能，对刚构-连续组合梁桥、连续刚构桥和连续梁桥进行静力分析和抗震分析对比。
1、静力分析。
（1）计算简图。参照该桥结构跨径和主梁结构尺寸，列出各桥型的计算简图见图3至图5，其中图3为刚构-连续组合梁桥（桥型一），图4为连续刚构桥（桥型二），图5为连续梁桥 （桥型三）。
（2）计算内容。内力包括自重、二期恒载、车道荷载（横向分布系数：1.15×4×0.67=3.082）、人群荷载（宽度2.17m）以及整体升温（20℃）、整体降温（-20℃）、收缩徐变在控制截面产生的弯矩，三种桥型在控制截面产生的弯矩见表1至表3所示;位移包括跨中截面的挠度以及墩顶水平位移，三种桥型在控制截面的位移见表6所示。
（3）组合内力对比。在不同体系的内力分析中，采用了两种内力组合，其中组合一为自重、二期恒载、汽车荷载、人群荷载、收缩徐变的内力组合;组合二为自重、二期恒载、汽车荷载、人群荷载、收缩徐变及温度变化的内力组合。三种桥型在控制截面的内力组合见表4至表5所示。
（4）符号规定：梁的弯矩以下缘受拉为+M，上缘受拉为-M;墩的左侧受拉为+M，右侧受拉为-M。竖向挠度以向下为正，水平位移以向右为正。
表1 桥型一主要控制截面弯矩汇总（单位：KN・m）
截面
位置
自重
二期恒载
车道荷载
人群荷载
温升20°
温降20°
梯升14°
梯降7°
收缩徐变
9
（1）跨L/4
5962.4
6108.5
16593.5
1319.5
-669.7
669.7
4764.6
-2382.3
-3085.1
12
（1）跨L/2
-39691.9
544.9
20120.7
1718.8
-1226.3
1226.3
9262.7
-4631.3
-6123.1
20
20#墩顶主梁
-326176.1
-45082.1
-36830.9
-4312.6
-2401.6
2401.6
18448.5
-9224.3
-12267.1
30
（2）跨L/2
-7565.1
11464.7
18183.7
1453.8
-885.9
885.9
14519.8
-7259.9
-9705.7
46
21#墩顶主梁
-341538.8
-62395.6
-43236.2
-5383.7
1796.3
-1796.3
8339.5
-4169.7
-6125.0
98
21#墩顶
13749.7
-1519.0
0.0
102
21#墩底
13272.4
1466.6
0.0
表2 桥型二主要控制截面弯矩汇总（单位：KN・m）
截面
位置
自重
二期恒载
车道荷载
人群荷载
温升20°
温降20°
梯升14°
梯降7°
收缩徐变
9
（1）跨L/4
4539.5
7173.6
14222.4
1017.5
3850.9
-3850.9
5986.4
-2993.2
-10739.6
12
（1）跨L/2
-42456.9
2614.0
15063.8
1134.7
7556.4
-7556.4
11636.3
-5818.2
-20991.5
20
20#墩顶主梁
-331033.1
-49432.7
-39172.9
-4386.1
-13454.9
13454.9
15333.0
-7666.5
323.7
30
（2）跨L/2
-8794.7
9811.3
14471.4
1056.3
-6239.5
6239.5
13158.3
-6579.2
-3835.7
46
21#墩顶主梁
-336322.1
-58311.3
-40452.1
-4761.0
14708.3
-14708.3
11431.4
-5715.7
-24458.2
92
20#墩顶
-1194.5
7336.8
15683.2
1652.5
21375.7
-21375.7
6546.2
-3273.1
-31882.4
96
20#墩底
-3054.3
3510.7
8750.4
911.9
-2937.0
2937.0
2163.4
-1081.7
3171.9
98
21#墩顶
52.1
43.4
19137.0
2130.3
314.9
-314.9
52.6
-26.3
-295.7
102
21#墩底
25.2
-12.4
-9704.4
-1038.9
-89.5
89.5
-15.0
7.5
74.6
表3 桥型三主要控制截面弯矩汇总（单位：KN・m）
截面
位置
自重
二期恒载
车道荷载
人群荷载
温升20°
温降20°
梯升14°
梯降7°
收缩徐变
9
（1）跨L/4
5278.1
5982.1
17151.7
1410.6
-675.0
675.0
4760.1
-2380.1
-2617.5
12
（1）跨L/2
-41021.4
299.2
21250.2
1897.2
-1236.5
1236.5
9253.9
-4627.0
-5214.8
20
20#墩顶主梁
-328824.8
-45571.6
-39792.4
-4657.3
-2422.0
2422.0
18431.1
-9215.5
-10458.3
30
（2）跨L/2
-7915.6
11402.1
18731.3
1521.3
-888.6
888.6
14517.6
-7258.8
-9484.0
46
21#墩顶主梁
-338227.9
-61783.4
-40170.2
-5334.6
1822.1
-1822.1
8361.3
-4180.7
-8440.6
表4三种桥型主要控制截面组合一弯矩汇总（单位：KN・m）
截面
位置
桥型一（A）
桥型二（B）
桥型三（C）
B/A-1
C/A-1
9
（1）跨L/4
26898.9
26050.5
27205.0
-3.2%
1.1%
12
（1）跨L/2
-62756.4
-44635.9
-65236.4
-28.9%
4.0%
20
20#墩顶主梁
-424668.7
-372172.8
-429304.4
-12.4%
1.1%
30
（2）跨L/2
13831.4
32106.2
14255.1
132.1%
3.1%
46
21#墩顶主梁
-458679.3
-413853.4
-453956.6
-9.8%
-1.0%
表5三种桥型主要控制截面组合二弯矩汇总（单位：KN・m）
截面
位置
桥型一（A）
桥型二（B）
桥型三（C）
B/A-1
C/A-1
9
（1）跨L/4
32333.2
-4148.6
32640.0
-112.8%
0.9%
12
（1）跨L/2
-68614.0
-84150.5
-71099.8
22.6%
3.6%
20
20#墩顶主梁
-436294.6
-444822.4
-440941.9
2.0%
1.1%
30
（2）跨L/2
29237.1
-6589.3
29661.2
-122.5%
1.5%
46
21#墩顶主梁
-464645.4
-484728.6
-459959.4
4.3%
-1.0%
表6三种桥型主要控制截面位移汇总（单位：mm）
桥型类型
截面
位置
位移性质
自重
二期恒载
车道荷载
人群荷载
合计
桥型一
12
（1）跨L/2
竖向挠度
-32.6
-1.4
-7.1
-0.7
-41.9
30
（2）跨L/2
竖向挠度
-32.4
-10.8
-16.8
-1.8
-61.7
20
20#墩顶主梁
水平位移
-2.7
-0.4
-6.2
-0.7
-10.1
桥型二
12
（1）跨L/2
竖向挠度
-29.7
-1.9
-5.2
-0.5
-37.3
30
（2）跨L/2
竖向挠度
-29.6
-9.2
-11.8
-1.2
-51.8
20
20#墩顶主梁
水平位移
-2.7
-0.4
-1.4
-0.2
-4.8
桥型三
12
（1）跨L/2
竖向挠度
-32.2
-1.3
-7.5
-0.8
-41.8
30
（2）跨L/2
竖向挠度
-34.1
-11.1
-18.8
-2.0
-66.0
20
20#墩顶主梁
水平位移
-2.7
-0.4
-1.9
-0.2
-5.2
2、地震分析。
（1）支座选取情况。刚构-连续组合梁桥（桥型一）的两个边主墩采用CSR-LUB-20000-DX-e150支座;连续梁桥 （桥型三）主墩均采用JZDZ-20000/2000-DX（或GD）-e250-3s支座。三种桥型过渡墩均采用GPZ（2009）4DX（或SX）支座。
（2）时程反应分析。对该桥动力分析模型分别沿纵、横向输入地震安评报告提供的3条安评地震波，采用Newmark-β法进行线性时程反应分析。地震动峰值加速度为0.176g。其中，时程分析内力值为3条地震波激励下反应的最大包络值。E2地震作用下1条典型的加速度时程曲线如图6所示。限于篇幅，本文仅给出三种桥型在主墩的E2地震反应内力（见表7所示）。
图6 E2地震下典型的加速度时程曲线
表7三种桥型主墩E2地震内力汇总
桥型类型
截面
位置
E2地震内力（My为纵向，Mz为横向）
截面初始屈服弯矩（kN・m）
安全系数
轴力（KN）
My（kN・m）
Mz（kN・m）
My'
Mz'
My'/My
Mz'/Mz
桥型一
96
墩底
-48125.5
86091.1
162112.2
148235.9
576412.8
1.7
3.6
98
墩顶
-48636.2
88489.0
72725.9
148877.9
578591.9
1.7
8.0
102
墩底
-57019.3
50323.2
261103.2
157185.6
613638.3
3.1
2.4
桥型二
92
墩顶
-45493.5
159158.9
38841.1
145976.1
562825.0
0.9
14.5
96
墩底
-49369.1
13412.6
156145.5
150432.6
581683.0
11.2
3.7
桥型三
96
墩底
-51634.3
18428.2
24663.7
151536.8
590684.9
8.2
23.9
2.3 对比分析结果
1、在组合荷载作用下，连续刚构桥在中跨跨中正弯矩比刚构-连续组合梁桥大132.1%，在边跨跨中正弯矩小3.2%;连续梁桥中跨跨中正弯矩比刚构-连续组合梁桥大3.1%，在边跨跨中正弯矩大1.1%。
2、在组合荷载作用下，连续刚构桥在墩顶负弯矩比刚构-连续组合梁桥大-12.4%～4.3%;连续梁桥在墩顶负弯矩比刚构-连续组合梁桥大-1.0%～1.1%。
3、在组合荷载作用下，连续刚构桥跨中挠度比刚构-连续组合梁桥小9.9mm，连续梁桥跨中挠度比刚构-连续组合梁桥大4.3mm。水平位移以刚构-连续组合梁桥最大，边主墩最高达-10.1mm，其余桥型相近，最大为-5.2mm。
4、在E2地震作用下，连续梁桥墩身内力最小，连续刚构桥最大，刚构-连续组合梁桥居中，其中连续梁桥为隔震体系。
3结论
1、通过三种桥型的对比分析可知，主梁弯矩，刚构-连续组合梁桥比连续刚构桥和连续梁桥都要小;在同等荷载作用下的跨中挠度，刚构-连续组合梁桥介于连续梁桥和连续刚构桥之间;在同等荷载作用下边主墩墩顶水平位移，刚构-连续组合梁桥最大。
2、在E2地震作用下的墩身内力，刚构-连续组合梁桥介于连续梁桥和连续刚构桥之间。
总之，刚构-连续组合梁桥兼顾了连续梁桥和连续刚构桥的优点而扬弃各自的缺点，在结构受力、使用性能和适应环境等方面均具有一定的优越性，根据结构特点和具体桥位情况选用该桥型具有良好的发展前景。 参考文献 [1]中交公路规划设计院.JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范.北京：人民交通出版社，2004. [2]中交公路规划设计院.JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.北京：人民交通出版社，2004. [3]重庆交通科研设计院.JTG/T B02-01-2008 公路桥梁抗震设计细则.北京：人民交通出版社，2008. [4] 巩春领，肖汝诚.大跨径刚构-连续组合梁桥整体受力分析与探讨.结构工程师，2004（5）：14-19.
