铁路连续刚构桥设计优化分析
潘文涛
（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200000）
某铁路桥为（75+128+75）m 预应力混凝土连续刚构。连续刚构桥平面位于直线上，设计荷载为ZK荷载。上部构造悬浇施工，箱梁等宽变高，采用单箱单室直腹板截面。中支点根部梁高9.686m，边支点及中跨跨中梁高5.686m，箱梁顶板宽12.2m，底板宽6.7m。主墩墩身高度分别为23.0m、21.5m；
承台尺寸为15.2m×11.2m×4m。基础采用12 根直径2.0m 的钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。
2.1 桥梁结构建模
根据初步设计提供资料，桥梁计算跨度（75+128+75）m，支座中心到梁端0.75m，桥梁全长279.5m。连续刚构主墩采用矩形空心墩，刚构主墩墩身高度分别为23m、21.5m。初步设计拟定主墩下部构造为矩形空心墩，墩身尺寸8.4m（横桥向）×7m（顺桥向），壁厚1.35m。矩形空心墩一般断面如图1。
图1 矩形空心墩横断面（单位：厘米）
本文采用桥梁结构分析系统BSAS 软件建立结构分析模型，全桥共划分为137 个单元，共计140 个节点，其中主桥梁单元94 个。主墩墩梁固结，桩基采用等效矩形截面模拟，桩底固结，桩顶设置侧向约束。BSAS结构计算模型如图2。
图2 BSAS 计算模型
2.2 计算分析结果
本项目通过模拟悬浇施工的过程，悬浇挂篮荷载按照100t 设计，悬浇梁段按照单元施工→张拉预应力→移挂篮的顺序进行施工过程模拟，中跨合龙前对已浇筑梁体对称施加对顶力。梁体中跨跨中控制截面主要计算结果如表1。
表1 梁体应力计算结果（跨中控制截面）
由表1可以看出：在主力+附加力组合工况下，中跨跨中的应力均能满足规范要求，且有一定的应力储备。但是在对梁体进行正截面强度安全系数进行检算时，程序给出的中跨跨中截面检算结果强度不满足规范要求，且判定截面的受力特点为大偏心受拉构件。连续刚构上部构件为受弯构件，出现大偏心受拉，意味着梁体轴向内力为拉力。连续刚构出现上部结构轴向拉力的主要因素有温度、钢束的次效应、收缩徐变等。对本项目中跨的轴向内力进行单项分析，在恒载、温度、沉降等工况下，中跨均出现了轴向拉力，各工况下的轴向内力如表2。
表2 梁体分项荷载下轴向内力（单位：kN）
由表2可以看出，在恒载和温度作用下中跨梁体出现较大的轴向拉力，该轴向拉力应为正截面强度安全验算中出现大偏心受拉构件的主要原因。对恒载下轴向内力的产生原因进行分析，主要是由梁体收缩徐变和钢束次效应产生。结合恒载下墩顶顺桥向位移分别为4.94mm和-4.86mm，认为产生较大轴向拉力的原因为桥墩刚度较大，在钢束次效应和梁体收缩徐变效应下的墩顶变形和梁体变形协调，梁体因此产生较大的轴向拉力。
2.3 调整空心墩壁厚方案
考虑到初步设计阶段桥墩的壁厚为1.35m，尺寸较大，可以通过调整壁厚来降低桥墩刚度，对梁体纵向受力较为有利。调整后墩身壁厚按照0.65m 考虑。对下部结构尺寸进行调整后，维持原上部结构尺寸及纵向预应力钢束的布置，经计算恒载工况下中跨仍出现了较大的轴向拉力，轴向拉力值为5367kN，相比1.35m 壁厚尺寸下的轴向拉力有所减小。恒载下墩顶顺桥向位移分别为3.72mm 和-3.82mm。
通过比较两种桥墩壁厚尺寸下的计算结果，调整空心墩的壁厚对结构的影响较小，主要影响因素为空心墩的刚度较大，主梁受桥墩刚度影响，产生较大的轴向拉力，对结构不利，需要对桥墩构造进行优化设计。
考虑到矩形空心墩的刚度较大，对结构受力不利，因此拟采用双肢薄壁墩。按双肢薄壁墩建立计算模型，墩身与主梁固结，桩基采用等效矩形截面模拟，桩底固结，桩顶设置侧向约束。初步拟定两种不同方案的桥墩尺寸：①壁厚1.6m，双肢间距5.4m；
②壁厚1.4m，双肢间距5.4m。经计算，梁体主力+附加力组合下主要计算结果对比如表3。
表3 梁体应力计算结果（双肢薄壁墩）
根据以上对比结果，双肢间距5.4m 时，桥梁结构受力较空心墩方案有较为明显的改善，且中跨受力检算未出现偏心受拉构件。根据以上计算模型的桥墩内力和施工阶段弯矩，经优化计算后最终确定桥墩壁厚1.4m，间距5.6m。优化后桥墩构造如图3，梁体主要计算结果如表4。
图3 双肢薄壁桥墩构造图（单位：mm）
主墩构造改为双肢薄壁敦后，梁部整体应力状态较好，恒载工况下中跨并未出现轴向拉力，主梁及桥墩各项检算均能满足相关规范要求，中跨截面强度检算截面受力特点亦为受弯构件。
预应力混凝土连续刚构设计中，主墩的构造设计对主梁的受力状态影响较大，主墩刚度过大对导致梁体出现轴向拉力，对结构受力不利。在进行连续刚构设计时，应结合桥梁的跨度及墩身高度进行综合选择，对于跨度较大、主墩墩身高度较小时，应尽量选刚度较小的构造，避免梁体出现偏心受拉构件；
对于高墩的连续刚构，则宜采用刚度较大的构造。