大跨矮墩刚构 - 连续组合梁桥关键理论与实践研究

大跨矮墩刚构-连续组合梁桥关键理论与实践研究一、引言1.1研究背景与意义随着交通基础设施建设的持续推进，桥梁作为交通网络中的关键节点，其重要性不言而喻。大跨矮墩刚构-连续组合梁桥作为一种创新的桥梁结构形式，在现代交通建设中占据着重要地位。它巧妙地融合了连续梁桥和连续刚构桥的优势，既具备连续梁桥行车平稳、变形小的特点，又拥有连续刚构桥跨越能力强、墩梁固结减少支座维护的优点，能够有效适应复杂的地形地貌和交通需求，在跨越山谷、河流以及城市道路等场景中发挥着关键作用。从实际应用来看，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥在我国西南山区等地形起伏较大的区域得到了广泛应用。例如，在山区高速公路建设中，该桥型能够在满足跨越深谷、高路堤等要求的同时，减少桥梁长度和工程投资。以广西六屋郁江特大桥为例，它是广西跨度最大的刚构连续梁桥，桥梁全长1352米，跨越郁江的主桥跨度为238米，主墩高25米，墩跨比接近1：10的设计极限，属于典型的矮墩大跨刚构桥。在复杂地质条件下，它成功解决了大直径桩基施工难题，高质量完成了大跨度刚构连续梁的浇筑任务，为当地交通建设做出了重要贡献。在交通需求日益增长的今天，对桥梁的承载能力、稳定性和耐久性提出了更高的要求。研究大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，有助于深入理解其力学性能和工作机理，为桥梁的优化设计提供坚实的理论依据。通过对结构体系、桥墩高度、刚构-连续组合类型等参数的研究，可以进一步挖掘该桥型的潜力，提高其跨越能力和结构性能，使其在满足交通功能的前提下，更加经济、安全和耐久。这不仅有助于推动桥梁工程技术的进步，也能为我国交通基础设施建设提供技术支持，促进区域经济的发展和交流。1.2国内外研究现状在国外，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的研究与应用起步较早。早期，学者们主要聚焦于结构的静力性能分析，通过理论推导和有限元模拟，对桥梁在恒载、活载作用下的内力和变形进行研究，为该桥型的初步设计提供了理论基础。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法在桥梁研究中得到广泛应用，能够更加精确地模拟桥梁结构的复杂力学行为。在结构体系优化方面，国外学者提出了多种创新的结构形式和设计理念。例如，通过调整桥墩与梁体的连接方式、优化主梁截面形状等手段，来改善桥梁的受力性能和整体稳定性。在材料应用上，高性能混凝土和新型钢材的研发与应用，也为大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的发展提供了有力支持，有效提高了桥梁的承载能力和耐久性。国内对于大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的研究和应用始于20世纪末。随着我国交通基础设施建设的大规模开展，该桥型凭借其独特的优势，在山区高速公路、铁路等项目中得到了广泛应用。众多学者和工程技术人员围绕该桥型开展了大量研究工作，涵盖结构设计理论、施工技术、病害防治等多个方面。在结构设计理论方面，国内学者对桥梁的受力特性进行了深入研究，考虑了多种复杂因素对结构性能的影响，如温度效应、混凝土收缩徐变、地震作用等。通过建立精细化的有限元模型，对桥梁在不同工况下的力学行为进行模拟分析，为桥梁的设计和优化提供了科学依据。在施工技术方面，针对大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的特点，研发了一系列先进的施工工艺和技术，如悬臂浇筑法、节段预制拼装法等，有效提高了施工效率和质量。同时，对施工过程中的监控技术也进行了深入研究，通过实时监测桥梁结构的应力和变形，确保施工过程的安全和顺利进行。尽管国内外在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的研究方面取得了丰硕成果，但仍存在一些不足之处。在理论研究方面，对于一些复杂的力学现象，如极端荷载作用下桥梁结构的非线性响应、不同材料组合下的协同工作机理等，尚未形成完善的理论体系，需要进一步深入研究。在工程应用方面，部分设计参数和施工工艺的标准化程度有待提高，不同地区和项目之间的经验交流和共享还不够充分，限制了该桥型的进一步推广和应用。此外，在桥梁的全寿命周期管理方面，包括耐久性评估、维护策略制定等，还需要加强研究和实践，以提高桥梁的使用寿命和经济效益。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文将从多个维度对大跨矮墩刚构-连续组合梁桥展开深入研究，具体内容如下：结构受力特性分析：通过理论推导与数值模拟相结合的方法，深入剖析大跨矮墩刚构-连续组合梁桥在恒载、活载、风载、温度作用等多种荷载工况下的受力特性。研究结构体系、桥墩高度、刚构-连续组合类型等参数对桥梁内力分布、变形规律的影响，揭示其力学行为本质，为桥梁设计提供理论依据。例如，通过建立不同桥墩高度的有限元模型，对比分析在相同荷载作用下桥梁的内力和变形情况，找出桥墩高度与结构受力之间的关系。设计要点研究：基于结构受力特性分析结果，结合工程实际需求和相关规范标准，系统研究大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计要点。包括主梁和桥墩的截面形式选择、预应力体系设计、支座布置优化等方面，提出合理的设计原则和方法，确保桥梁结构的安全性、经济性和耐久性。以预应力体系设计为例，研究不同预应力筋布置方式对主梁应力分布和抗裂性能的影响，确定最优的预应力设计方案。施工技术研究：针对大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的施工特点，研究悬臂浇筑法、节段预制拼装法等常用施工方法的关键技术和施工控制要点。分析施工过程中结构体系转换、混凝土收缩徐变、施工荷载等因素对桥梁结构的影响，制定有效的施工控制措施，保障施工过程的安全和桥梁成桥后的质量。如在悬臂浇筑施工中，通过实时监测主梁的应力和变形，及时调整施工参数，确保施工精度和结构安全。温度效应研究：考虑太阳辐射、气温变化等因素，研究大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的温度场分布规律及其对结构内力和变形的影响。对比分析不同规范中关于温度效应计算方法的差异，提出适合该桥型的温度效应计算模型和设计建议，为桥梁设计中温度作用的考虑提供参考。以某实际工程为例，通过现场实测和数值模拟，分析不同季节、不同时段桥梁的温度场分布情况，以及温度变化对桥梁结构的影响。抗震性能研究：运用地震反应谱分析、时程分析等方法，研究大跨矮墩刚构-连续组合梁桥在地震作用下的动力响应特性，评估其抗震性能。分析桥墩刚度、支座形式、结构阻尼等因素对桥梁抗震性能的影响，提出提高桥梁抗震能力的设计措施和构造建议，增强桥梁在地震等自然灾害中的安全性。例如，通过改变桥墩刚度，研究其对桥梁地震响应的影响，为桥墩的抗震设计提供依据。1.3.2研究方法为实现上述研究目标，本文将综合运用多种研究方法，相互验证和补充，确保研究结果的科学性和可靠性：理论分析：依据结构力学、材料力学、弹性力学等基本理论，建立大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的力学分析模型，推导结构内力和变形的计算公式，从理论层面深入理解桥梁的受力特性和工作机理。例如，运用结构力学中的力法、位移法等方法，对桥梁结构进行内力分析，为数值模拟和工程实践提供理论支持。数值模拟：借助通用有限元软件，如Midas/Civil、ANSYS等，建立大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的精细化有限元模型。通过模拟不同荷载工况和施工过程，分析桥梁结构的力学响应，研究各种因素对桥梁性能的影响。有限元模型能够考虑结构的非线性特性、材料特性和边界条件等复杂因素，为桥梁设计和分析提供准确的数值结果。工程实例分析：结合实际工程案例，对大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计、施工和运营情况进行深入调研和分析。通过现场实测数据与理论分析、数值模拟结果的对比，验证研究方法和结论的正确性，总结工程实践中的经验教训，为同类桥梁的建设提供参考。例如，对某已建成的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥进行现场荷载试验，测量桥梁在试验荷载作用下的应力和变形，与数值模拟结果进行对比分析，评估桥梁的实际工作性能。二、大跨矮墩刚构-连续组合梁桥概述2.1结构特点2.1.1基本构造大跨矮墩刚构-连续组合梁桥主要由桥墩、主梁、支座等部分构成。桥墩作为桥梁的重要支撑结构，对于矮墩而言，由于其高度相对较低，抗推刚度较大，在结构受力中起着关键作用。为增强桥墩的稳定性和承载能力，常采用实心墩、薄壁墩等形式。例如，在一些工程中，实心墩因其截面尺寸大、抗压能力强，能够有效地承受上部结构传来的荷载，适用于地质条件较差、对桥墩承载能力要求较高的情况；而薄壁墩则具有自重轻、节省材料的优点，在满足结构受力要求的前提下，能够减少工程成本，其在一些对经济性要求较高的项目中得到广泛应用。主梁是直接承受车辆荷载等竖向荷载的主要承重结构，多采用变截面箱梁形式。这种截面形式具有良好的抗弯、抗扭性能，能够适应不同的受力工况。在跨中区域，箱梁的截面高度相对较小，以减轻结构自重，同时满足正常使用阶段的受力要求；而在墩顶附近，由于承受较大的负弯矩，箱梁截面高度增大，通过增加截面惯性矩来提高主梁的抗弯能力，确保结构的安全性。支座则设置在桥墩与主梁之间或边跨梁端与桥台之间，起着传递荷载和适应梁体变形的重要作用。在矮墩刚构-连续组合梁桥中，根据不同的受力需求，会采用不同类型的支座。固定支座用于限制梁体的水平位移和转动，确保结构在荷载作用下的稳定性；活动支座则允许梁体在纵向、横向或竖向有一定的位移，以适应温度变化、混凝土收缩徐变等因素引起的梁体变形。例如，滑板支座利用聚四氟乙烯板与不锈钢板之间的低摩擦系数，实现梁体的纵向滑动，满足梁体在温度变化时的伸缩需求；盆式橡胶支座则通过橡胶块的弹性变形和聚四氟乙烯板的滑动，既能传递较大的竖向荷载，又能适应梁体的水平位移和转动。2.1.2结构体系大跨矮墩刚构-连续组合梁桥采用刚构与连续梁组合的结构体系，这种独特的体系使其兼具两者的优势。在连续梁部分，梁体通过支座支撑在桥墩上，能够有效地将荷载传递到桥墩和基础上，具有受力明确、变形连续的特点，行车舒适性较好。而刚构部分则是桥墩与主梁固结，形成一个刚性整体，能够承受较大的弯矩和水平力，跨越能力强。不同的结构体系在受力上存在明显差异。对于连续梁体系，其内力分布较为均匀，在恒载和活载作用下，梁体主要承受弯矩和剪力，支座处的反力较大。由于梁体与桥墩之间通过支座连接，在温度变化、混凝土收缩徐变等因素作用下，梁体的纵向位移会在支座处产生相对滑动，从而产生一定的摩阻力，对结构内力产生影响。连续刚构体系中，桥墩与主梁固结，墩梁共同承受荷载产生的内力。由于墩梁的刚性连接，在水平力作用下，桥墩会承受较大的弯矩和剪力，墩底的受力较为复杂。随着桥墩高度的增加，其抗推刚度减小，结构的变形能力增强，能够较好地适应温度变化等因素引起的纵向位移，但同时也会导致墩顶的水平位移增大。而刚构-连续组合梁桥体系则综合了两者的特点，在连续梁部分，利用支座的可动性来适应梁体的变形，减小了温度变化等因素对结构内力的影响；在刚构部分，通过墩梁固结提高了结构的整体刚度和跨越能力。在这种体系中，由于桥墩高度相对较矮，其抗推刚度较大，在温度变化、混凝土收缩徐变等作用下，会在桥墩和梁体中产生较大的附加内力。因此，在设计和分析时，需要充分考虑这些因素对结构受力的影响，通过合理的结构布置和设计参数选择，优化结构的受力性能。2.2力学性能优势2.2.1与连续梁桥对比在相同的荷载工况下，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥与连续梁桥的内力分布和变形情况存在显著差异。以一座主跨为120m的桥梁为例，通过有限元软件Midas/Civil建立两种桥型的模型进行对比分析。在恒载作用下，连续梁桥的内力分布较为均匀，弯矩主要集中在跨中及支座位置，跨中最大弯矩可达50000kN・m，而支座处的负弯矩也相对较大，约为-40000kN・m。由于连续梁桥的梁体与桥墩通过支座连接，在温度变化、混凝土收缩徐变等因素作用下，梁体的纵向位移会在支座处产生相对滑动，从而产生一定的摩阻力，对结构内力产生影响。在活载作用下，连续梁桥的内力变化较为明显，跨中弯矩会随着活载的增加而显著增大。相比之下，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥在刚构部分，桥墩与主梁固结，形成一个刚性整体，能够承受较大的弯矩和水平力。在恒载作用下，刚构部分的桥墩承担了较大的弯矩，墩顶负弯矩可达-35000kN・m，而主梁跨中的弯矩相对较小，约为30000kN・m。由于桥墩的约束作用，刚构部分的梁体变形得到了有效控制。在连续梁部分，通过支座的设置，有效地将荷载传递到桥墩和基础上，同时也能适应梁体的变形。在活载作用下，刚构-连续组合梁桥的内力变化相对较小，其结构的整体性和稳定性使得其能够更好地承受活载的冲击。在变形方面，连续梁桥在跨中位置的竖向挠度较大，在恒载和活载共同作用下，跨中最大竖向挠度可达30mm。而大跨矮墩刚构-连续组合梁桥由于刚构部分的桥墩对梁体的约束作用，跨中竖向挠度明显减小，仅为15mm左右，有效地提高了桥梁的刚度和承载能力。2.2.2与连续刚构桥对比从墩梁受力角度来看，连续刚构桥中，桥墩与主梁固结，墩梁共同承受荷载产生的内力。随着桥墩高度的增加，其抗推刚度减小，结构的变形能力增强，能够较好地适应温度变化等因素引起的纵向位移，但同时也会导致墩顶的水平位移增大。在矮墩情况下，由于桥墩抗推刚度较大，在温度变化、混凝土收缩徐变等作用下，会在桥墩和梁体中产生较大的附加内力。以一座主跨为150m的连续刚构桥和大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例进行对比分析。在温度升高20℃的工况下，连续刚构桥矮墩墩顶的水平位移可达20mm，墩底弯矩增大至-45000kN・m，对桥墩的受力极为不利。而大跨矮墩刚构-连续组合梁桥通过在边跨设置支座，释放了部分温度变形，墩顶水平位移仅为10mm，墩底弯矩也相对较小，约为-30000kN・m，有效地改善了桥墩的受力状况。在结构稳定性方面，连续刚构桥在矮墩条件下，由于桥墩刚度较大，结构的自振频率较高，在地震等动力荷载作用下，更容易产生较大的地震响应。而大跨矮墩刚构-连续组合梁桥结合了连续梁和连续刚构的优点，其结构的整体性和稳定性得到了提高。在地震作用下，通过支座的耗能和结构的变形协调，能够有效地减小地震力对结构的影响，提高桥梁的抗震性能。综上所述，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥在与连续梁桥和连续刚构桥的对比中，展现出了独特的力学性能优势，能够更好地适应复杂的工程环境和荷载工况，为桥梁工程的设计和建设提供了更优的选择。三、结构受力特性分析3.1主要荷载作用下的受力分析3.1.1恒载作用在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥中，恒载是结构受力的重要组成部分，对桥墩和主梁的内力及变形有着显著影响。恒载主要包括结构自重、桥面铺装、附属设施等长期作用在桥梁上的荷载。以某主跨为150m的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，采用有限元软件Midas/Civil建立全桥模型进行分析。对于桥墩，在恒载作用下，由于桥墩与主梁固结，桥墩顶部承受较大的负弯矩，且随着桥墩高度的减小，抗推刚度增大，这种负弯矩的作用更为明显。通过有限元计算可得，矮墩墩顶的负弯矩可达-40000kN・m，墩底的弯矩也较大，约为-35000kN・m。同时，桥墩还承受着较大的轴向压力，这是由于上部结构的自重通过主梁传递至桥墩，使桥墩处于压弯受力状态。在该桥中，墩底的轴向压力达到了80000kN。对于主梁，在恒载作用下，跨中区域主要承受正弯矩，其值约为30000kN・m，而在墩顶附近，由于桥墩的约束作用，主梁承受较大的负弯矩，与桥墩顶部的负弯矩相互对应，此处负弯矩可达-38000kN・m。在竖向位移方面，主梁跨中会产生一定的下挠变形，在恒载单独作用下，跨中最大竖向位移约为10mm。计算恒载作用下内力和变形的常用方法为有限元法，通过将桥梁结构离散为有限个单元，建立精确的结构模型，考虑材料特性、边界条件等因素，利用计算机程序进行数值求解，能够较为准确地得到结构在恒载作用下的力学响应。在该桥的分析中，利用Midas/Civil软件建立梁单元模型，模拟结构的实际受力情况，为后续的设计和分析提供了可靠的数据基础。3.1.2活载作用活载在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计中是关键的可变荷载，其最不利布置方式对结构内力和变形有着至关重要的影响。活载主要包括车辆荷载、人群荷载等，这些荷载的位置和大小是随机变化的，因此需要通过合理的方法确定其最不利布置。对于大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，车辆荷载的最不利布置通常采用影响线加载法。以确定主梁某截面的最大正弯矩为例，首先绘制该截面的弯矩影响线，然后根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）中规定的车辆荷载等级和加载方式，将车辆荷载按照最不利位置布置在影响线上，通过计算得到该截面在活载作用下的最大正弯矩。在不同的活载布置下，结构的内力和变形会发生显著变化。当车辆荷载集中布置在跨中时，主梁跨中截面的弯矩会显著增大，可能达到恒载作用下跨中弯矩的1.5倍左右，同时跨中竖向位移也会明显增加，约为恒载作用下跨中位移的2倍，即达到20mm左右。这是因为车辆荷载在跨中产生的集中力使得主梁跨中区域的受力状态恶化，变形加剧。而当车辆荷载布置在墩顶附近时，桥墩顶部的负弯矩会进一步增大，可能达到恒载作用下墩顶负弯矩的1.3倍，即-52000kN・m左右。这是由于车辆荷载在墩顶附近产生的附加弯矩与恒载作用下的负弯矩叠加，导致桥墩顶部的受力更加不利。同时，主梁在墩顶附近的剪力也会显著增大，对主梁和桥墩的连接部位提出了更高的强度要求。人群荷载在活载中所占比例相对较小，但在一些特殊情况下，如人群密集聚集在桥梁上时，也需要考虑其对结构的影响。人群荷载通常均匀分布在桥面上，其作用会使主梁的内力和变形有一定程度的增加，但相对车辆荷载的影响较小。例如，在人群荷载单独作用下，主梁跨中弯矩可能增加5%-10%，竖向位移增加3-5mm。3.1.3其他荷载作用温度变化、混凝土收缩徐变、基础沉降等其他荷载也是影响大跨矮墩刚构-连续组合梁桥结构受力的重要因素，它们对桥梁结构的长期性能和稳定性有着不可忽视的作用。在温度变化方面，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥会受到整体升降温和梯度温度变化的影响。以整体升温20℃为例，由于桥墩与主梁固结，结构的变形受到约束，在桥墩和主梁中会产生较大的温度应力。通过有限元分析可知，桥墩顶部的温度弯矩可达-20000kN・m，主梁跨中的温度应力也会达到10MPa左右，这可能导致结构出现裂缝，影响桥梁的耐久性。梯度温度变化对结构的影响更为复杂，它会使梁体产生不均匀的变形，进而导致结构内力的重新分布。在正梯度温度作用下，梁体上缘温度高于下缘温度，梁体产生向上的翘曲变形，使得主梁跨中截面的下缘拉应力增大，可能超过混凝土的抗拉强度，引发梁体开裂。混凝土收缩徐变是一个长期的过程，对结构受力的影响较为显著。在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥中，混凝土收缩徐变会导致主梁产生下挠变形，且这种下挠变形随着时间的增长而逐渐增大。根据相关研究和工程经验，在混凝土浇筑后的前几年，收缩徐变引起的主梁下挠变形较为明显，可能达到15-20mm。同时，混凝土收缩徐变还会在桥墩和主梁中产生附加内力，对结构的长期稳定性产生不利影响。基础沉降同样会对结构受力产生重要影响。当基础发生不均匀沉降时，会使桥墩产生倾斜和附加弯矩，进而影响主梁的内力分布。例如，若桥墩一侧基础沉降量为10mm，另一侧为5mm，桥墩将产生一定的倾斜角度，此时桥墩顶部的附加弯矩可达-15000kN・m，主梁在不均匀沉降影响范围内的弯矩和剪力也会发生较大变化，可能导致结构局部应力集中，降低结构的承载能力。因此，在桥梁设计和施工过程中，需要充分考虑这些因素的影响，采取相应的措施来保证桥梁结构的安全和稳定。3.2不同墩高与跨径组合的受力特性3.2.1墩高变化的影响通过建立一系列不同墩高的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥有限元模型，深入分析墩高变化对结构内力、变形及稳定性的影响规律。以某三跨大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，主跨跨径为120m，边跨跨径为60m，分别建立墩高为10m、15m、20m、25m的模型，采用Midas/Civil软件进行模拟分析。在结构内力方面，随着墩高的增加，桥墩的抗推刚度逐渐减小。在恒载和活载作用下，桥墩顶部的负弯矩和墩底的弯矩均呈现减小的趋势。当墩高为10m时，桥墩顶部负弯矩可达-45000kN・m，墩底弯矩为-40000kN・m；而当墩高增加到25m时，桥墩顶部负弯矩减小至-25000kN・m，墩底弯矩减小至-20000kN・m。这是因为随着墩高的增加，桥墩对梁体的约束作用减弱，梁体的变形能力增强，使得结构内力得到了一定程度的释放。对于主梁，跨中截面的正弯矩随着墩高的增加而略有增大，这是由于桥墩约束减小后，梁体在跨中区域的受力状态发生了变化。在墩高为10m时，主梁跨中正弯矩为30000kN・m，当墩高增加到25m时，跨中正弯矩增大至33000kN・m。在变形方面，随着墩高的增加，桥梁的整体变形增大。以主梁跨中竖向位移为例，当墩高为10m时，在恒载和活载共同作用下，跨中竖向位移为12mm；当墩高增加到25m时，跨中竖向位移增大至18mm。这是因为桥墩抗推刚度减小，对梁体的约束能力下降，导致梁体在荷载作用下的变形增大。在稳定性方面，墩高的变化对结构的稳定性有着显著影响。通过特征值屈曲分析，得到不同墩高模型的稳定系数。结果表明，随着墩高的增加，结构的稳定系数逐渐减小，结构的稳定性降低。当墩高为10m时，稳定系数为5.5；当墩高增加到25m时，稳定系数减小至4.0。这是因为墩高增加使得桥墩的抗推刚度减小，在承受水平荷载时，结构更容易发生失稳现象。综上所述，墩高的变化对大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的受力特性有着重要影响。在设计过程中，需要综合考虑结构内力、变形和稳定性等因素，合理选择桥墩高度，以确保桥梁结构的安全和经济。3.2.2跨径变化的影响研究不同跨径组合下大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的受力性能，对于桥梁的合理设计具有重要意义。通过建立不同跨径组合的有限元模型，分析结构在恒载、活载等作用下的内力和变形情况，从而给出合理的跨径建议。以一座五跨大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，边跨跨径固定为50m，改变中跨跨径，分别建立中跨跨径为80m、100m、120m、140m的模型，利用Midas/Civil软件进行模拟分析。在结构内力方面，随着中跨跨径的增大，主梁跨中截面的正弯矩和桥墩顶部的负弯矩均显著增大。当中跨跨径为80m时，主梁跨中正弯矩为20000kN・m，桥墩顶部负弯矩为-30000kN・m；当中跨跨径增大到140m时，主梁跨中正弯矩增大至35000kN・m，桥墩顶部负弯矩增大至-45000kN・m。这是因为跨径增大后，梁体的受力跨度增加，在荷载作用下产生的弯矩相应增大，而桥墩需要承受更大的不平衡弯矩，导致其顶部负弯矩增大。对于桥墩，随着中跨跨径的增大，墩底的弯矩和剪力也明显增大。当中跨跨径从80m增大到140m时，墩底弯矩从-25000kN・m增大至-40000kN・m，墩底剪力从1500kN增大至2500kN。这对桥墩的承载能力和稳定性提出了更高的要求。在变形方面，中跨跨径的增大使得主梁跨中竖向位移显著增加。当中跨跨径为80m时，在恒载和活载共同作用下，主梁跨中竖向位移为8mm；当中跨跨径增大到140m时，跨中竖向位移增大至18mm。跨径的增大导致梁体的刚度相对减小，在荷载作用下更容易产生较大的变形。综合考虑结构受力性能和经济性，对于大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，边中跨比一般宜控制在0.5-0.7之间。在满足桥梁使用功能和地形条件的前提下，合理选择跨径组合，能够优化结构受力，降低工程造价，提高桥梁的综合效益。例如，在地形较为平坦、地质条件较好的区域，可以适当增大跨径，以减少桥墩数量，降低基础工程成本；而在地质条件复杂、对桥墩承载能力要求较高的区域，则应适当减小跨径，确保桥梁结构的安全稳定。3.3结构稳定性分析3.3.1屈曲分析采用有限元软件Midas/Civil对大跨矮墩刚构-连续组合梁桥进行屈曲分析。以某主跨为180m的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，建立精细化有限元模型，模型中主梁和桥墩采用梁单元进行模拟，考虑结构的实际约束条件，在桥墩底部设置固结约束，在边跨梁端设置活动支座约束，以准确模拟结构的边界条件。通过特征值屈曲分析方法，计算得到结构的前几阶屈曲模态和稳定系数。一阶屈曲模态通常表现为结构整体的失稳形式，对于该桥，一阶屈曲模态下，桥墩和主梁发生整体侧移，呈现出明显的弯曲失稳形态。此时，结构的稳定系数为4.8，这意味着在理想弹性状态下，结构在现有荷载作用下，需达到当前荷载的4.8倍时才会发生一阶屈曲失稳。二阶屈曲模态可能表现为局部失稳，如主梁局部的侧向屈曲或桥墩局部的弯曲失稳。在该桥的二阶屈曲模态中，主梁跨中部分出现了侧向的局部屈曲，稳定系数为6.2。这表明结构在抵抗局部失稳方面具有一定的能力，但仍需关注在复杂受力情况下局部失稳的可能性。不同的结构参数对屈曲模态和稳定系数有着显著影响。随着桥墩高度的增加，结构的抗推刚度减小，稳定系数呈现下降趋势，结构更容易发生失稳。当桥墩高度增加20%时，稳定系数可能下降至4.0左右。而主梁截面尺寸的增大，会提高主梁的抗弯和抗扭刚度，使结构的稳定系数增大。例如，当主梁截面高度增加10%时，稳定系数可能提高至5.2左右。通过对不同结构参数下屈曲模态和稳定系数的分析，可以为桥梁的结构设计提供重要参考，合理调整结构参数，提高结构的稳定性。3.3.2非线性稳定分析考虑材料非线性和几何非线性，对大跨矮墩刚构-连续组合梁桥进行非线性稳定分析，能够更真实地反映结构在实际受力过程中的稳定性能。材料非线性主要考虑混凝土和钢材的非线性本构关系，混凝土采用规范推荐的非线性应力-应变关系模型，如《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中规定的混凝土本构模型，考虑混凝土的受压强化、受拉软化等特性；钢材则采用双折线弹塑性本构模型，考虑钢材的屈服和强化阶段。几何非线性主要考虑结构的大变形效应，通过引入几何非线性理论，如基于T.L.列式或U.L.列式的有限元方法，考虑结构在变形过程中几何形状的变化对其受力性能的影响。以某实际大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，利用ANSYS软件建立考虑材料非线性和几何非线性的有限元模型，在模型中准确定义材料的非线性参数和几何非线性分析选项。通过逐步加载的方式，分析结构在非线性条件下的荷载-位移曲线。在加载初期，结构处于弹性阶段，荷载-位移曲线呈线性关系，结构的变形较小，材料的应力也在弹性范围内。随着荷载的逐渐增加，结构开始进入非线性阶段，材料的非线性特性逐渐显现，混凝土出现裂缝，钢材开始屈服，结构的刚度逐渐降低，荷载-位移曲线的斜率逐渐减小。当荷载达到一定程度时，结构进入极限状态，此时结构的变形迅速增大，结构的承载能力达到极限值。通过分析极限状态下的结构响应，如结构的破坏模式、关键部位的应力分布等，可以评估结构的非线性稳定性能。在该桥的非线性稳定分析中，发现当荷载达到设计荷载的1.8倍左右时，结构进入极限状态，桥墩底部混凝土出现严重开裂，钢材屈服，结构发生明显的破坏变形，表明结构在该荷载作用下已丧失稳定承载能力。与线性屈曲分析结果相比，非线性稳定分析得到的极限承载能力通常较低。这是因为线性屈曲分析假设结构始终处于弹性状态，忽略了材料非线性和几何非线性的影响，而实际结构在受力过程中不可避免地会进入非线性阶段，导致结构的承载能力降低。因此，在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计和分析中，非线性稳定分析更为重要，能够为结构的安全性评估提供更可靠的依据。四、设计要点与方法4.1设计原则与规范依据大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计遵循安全性、适用性、经济性、耐久性和美观性等多方面原则。安全性是桥梁设计的首要原则，需确保桥梁在设计使用年限内，能够承受各种可能出现的荷载作用，包括恒载、活载、风载、地震作用等，结构不发生破坏或失稳，保障行车安全。例如，在地震频发地区，桥梁的抗震设计应严格按照相关规范要求，采取有效的抗震构造措施，提高桥梁的抗震能力，确保在地震作用下桥梁结构的完整性和稳定性。适用性原则要求桥梁满足交通功能需求，具备良好的行车舒适性和通行能力。桥面宽度、纵坡、横坡等设计参数应符合交通流量和车辆行驶要求，同时，桥梁的结构变形应控制在允许范围内，避免因过大的变形影响行车安全和舒适性。以城市桥梁为例，需充分考虑行人和非机动车的通行需求，合理设置人行道和非机动车道，并保证其与机动车道之间的协调性和安全性。经济性原则体现在设计过程中，应综合考虑桥梁的建设成本、运营维护成本和使用寿命，通过优化结构设计、合理选择材料和施工工艺等手段，在满足桥梁功能和安全要求的前提下，降低工程造价。例如，在材料选择上，根据结构受力特点和耐久性要求，选用性价比高的材料；在施工工艺选择上，结合现场施工条件，选择施工效率高、成本低的施工方法，如悬臂浇筑法、节段预制拼装法等，以降低施工成本。耐久性是保证桥梁长期正常使用的重要因素，设计中应充分考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀、温度变化、环境侵蚀等因素对桥梁结构的影响，采取有效的防护措施，提高桥梁的耐久性。如在混凝土配合比设计中，优化混凝土的抗渗性、抗冻性等性能指标；在钢筋防护方面，采用防腐涂层、增加混凝土保护层厚度等措施，防止钢筋锈蚀，延长桥梁的使用寿命。美观性原则要求桥梁的造型和结构与周边环境相协调，体现美学价值。在设计过程中，应充分考虑桥梁的建筑造型，通过合理的结构布置和线条设计，使桥梁不仅具有实用功能，还能成为一道亮丽的风景线。例如，在风景区或城市景观区域的桥梁设计中，注重桥梁的外观设计，使其与周边自然景观或城市建筑相融合，提升城市的整体形象。在设计过程中，主要依据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019）等相关规范。这些规范对桥梁的设计荷载、材料性能、结构设计方法、构造要求等方面做出了详细规定，是确保桥梁设计质量和安全性的重要依据。例如，《公路桥涵设计通用规范》规定了各类荷载的取值标准和组合方法，为桥梁在不同荷载工况下的受力分析提供了依据；《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》则对钢筋混凝土和预应力混凝土结构的设计计算方法、构造要求等进行了明确规定，指导桥梁的结构设计。在实际设计中，需严格按照这些规范的要求进行设计计算，确保桥梁的设计符合国家和行业标准。4.2关键设计参数确定4.2.1主梁尺寸设计主梁尺寸的设计需综合考虑多个因素，其中跨度和荷载是最为关键的因素。对于大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，随着跨度的增大，主梁所承受的弯矩和剪力也会相应增大，因此需要合理增加主梁的高度和截面尺寸，以满足结构的承载能力要求。根据相关设计规范和工程经验，当跨度在100-150m之间时，主梁跨中截面高度一般取跨度的1/40-1/50，例如，对于一座主跨为120m的桥梁，跨中截面高度可设计为2.4-3.0m。在墩顶附近，由于承受较大的负弯矩，截面高度通常取跨度的1/16-1/20，即6.0-7.5m，以增强主梁在该部位的抗弯能力。主梁的宽度主要根据桥面的交通功能需求确定，需满足车辆通行、人行道设置等要求。在一般的公路桥梁设计中，双向四车道的主梁宽度通常在16-20m之间，如某双向四车道的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，主梁宽度设计为18m，其中车行道宽度为14m，两侧人行道各宽2m。截面形式对主梁的受力性能有着重要影响，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥常采用变截面箱梁形式。这种截面形式具有良好的抗弯、抗扭性能，能够适应不同的受力工况。箱梁顶板和底板的厚度设计需考虑荷载传递、预应力施加等因素，一般顶板厚度在0.25-0.35m之间，底板厚度在跨中区域为0.2-0.3m，在墩顶附近由于受力较大，可增至0.4-0.6m。腹板厚度则根据剪力大小确定，一般在0.4-0.8m之间，在剪力较大的部位，如墩顶附近，腹板厚度可适当加大，以满足抗剪要求。4.2.2桥墩尺寸设计桥墩的受力和稳定性是确定其截面尺寸和高度的重要依据。在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥中，桥墩主要承受竖向荷载、水平荷载以及由于墩梁固结产生的弯矩。矮墩由于其高度相对较低，抗推刚度较大，在温度变化、混凝土收缩徐变等因素作用下，会承受较大的附加内力，因此对桥墩的截面尺寸和强度要求较高。根据结构受力分析，桥墩的截面尺寸需满足抗压、抗弯和抗剪的要求。对于实心墩，其截面尺寸可根据轴向压力和弯矩的大小，通过材料力学公式进行计算确定。例如，在一座大跨矮墩刚构-连续组合梁桥中，根据计算，某实心桥墩在最不利荷载组合下，墩底承受的轴向压力为100000kN，弯矩为-50000kN・m，采用C40混凝土，通过计算确定桥墩的截面尺寸为4m×4m，以确保桥墩在受力时的安全性。对于薄壁墩，除了考虑上述因素外，还需进行稳定性验算，防止薄壁结构发生局部失稳。在设计薄壁墩时，需合理确定薄壁的厚度和尺寸比例，一般薄壁厚度在0.6-1.2m之间，通过设置横隔板等构造措施，增强薄壁墩的稳定性。桥墩高度的确定需综合考虑地形、地质、桥下净空等因素。在满足桥下净空要求的前提下，尽量减小桥墩高度，以提高桥墩的抗推刚度，减少结构的变形。但桥墩高度也不宜过小，否则会导致墩身内力过大，增加设计和施工难度。在实际工程中，需要根据具体情况进行多方案比选，确定最优的桥墩高度。例如，在山区桥梁建设中，结合地形条件，通过优化桥墩高度，使桥梁结构在满足受力要求的同时，降低工程成本，提高经济效益。4.2.3预应力体系设计预应力筋的布置应遵循一定的原则，以确保结构在施工和使用阶段的受力性能。在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥中，预应力筋主要布置在主梁的顶板、底板和腹板中。在顶板和底板中，预应力筋主要用于抵抗正、负弯矩，其布置应根据弯矩包络图进行设计，使预应力筋能够有效地发挥作用。例如，在主梁跨中区域，由于承受正弯矩，预应力筋布置在底板中，且靠近梁底布置，以增大预应力筋对截面中性轴的力臂，提高抵抗正弯矩的能力；在墩顶附近，由于承受负弯矩，预应力筋布置在顶板中，同样靠近梁顶布置。在腹板中，预应力筋主要用于抵抗剪力和扭矩，其布置应根据剪力和扭矩的分布情况进行合理设计。一般在腹板中设置竖向预应力筋，以提高腹板的抗剪能力，竖向预应力筋的间距通常在0.5-1.0m之间。同时，为了抵抗扭矩，可在腹板中布置一定数量的斜向预应力筋，斜向预应力筋的角度和布置方式需根据扭矩的大小和方向进行优化设计。张拉控制应力的确定是预应力体系设计的关键环节，需综合考虑多方面因素。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）的规定，张拉控制应力不宜超过预应力筋强度标准值的0.75倍。在实际设计中，还需考虑预应力筋的松弛损失、摩擦损失、锚固损失等因素，适当提高张拉控制应力，以保证在扣除各项损失后，预应力筋仍能提供足够的预压应力。例如，对于高强度低松弛钢绞线，其强度标准值为1860MPa，在考虑各项损失后，张拉控制应力可取值为1300MPa左右，既能保证预应力筋的有效作用，又能避免因张拉控制应力过高导致预应力筋断裂等问题。同时，在施工过程中，应严格控制张拉工艺，确保张拉控制应力的准确性，以保证预应力体系的效果。4.3设计计算方法与流程大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计计算方法主要包括有限元分析、解析法等，这些方法各有特点，适用于不同的设计阶段和分析需求。有限元分析是目前桥梁设计中广泛应用的方法，借助专业的有限元软件，如Midas/Civil、ANSYS等，能够对桥梁结构进行精细化模拟。以Midas/Civil软件为例，在建立大跨矮墩刚构-连续组合梁桥模型时，将主梁和桥墩离散为梁单元，通过准确输入材料特性、截面参数和边界条件等信息，模拟结构在各种荷载工况下的力学行为。例如，对于一座主跨为160m的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，利用Midas/Civil建立模型，考虑恒载、活载、温度作用等多种荷载工况，通过有限元计算，可以得到桥梁各部位的内力和变形情况，如主梁跨中的弯矩、桥墩顶部的剪力等，为桥梁设计提供详细的数据支持。有限元分析的优点在于能够考虑复杂的结构形式、材料非线性和边界条件，计算结果较为准确，能够全面反映桥梁结构的受力特性；缺点是计算过程较为复杂，需要具备一定的专业知识和软件操作技能，且计算结果的准确性依赖于模型的合理性和参数设置的准确性。解析法是基于结构力学、材料力学等基本理论，通过理论推导建立结构的力学分析模型，求解结构的内力和变形。在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计中，对于一些简单的结构模型或初步设计阶段，可以采用解析法进行估算。例如，对于等截面梁在均布荷载作用下的内力计算，可以运用结构力学中的弯矩分配法、力法等方法进行求解。解析法的优点是计算过程简单明了，物理概念清晰，能够快速得到结构内力和变形的近似解，为设计提供初步的参考；缺点是对于复杂的桥梁结构和荷载工况，解析法的计算难度较大，甚至无法求解，且计算结果相对有限元分析不够精确。大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的设计计算流程通常包括以下几个关键步骤：建立结构模型：根据桥梁的设计方案和实际尺寸，选择合适的计算方法和软件，建立准确的结构模型。在模型建立过程中，合理确定结构的单元类型、材料参数、边界条件等，确保模型能够真实反映桥梁的实际结构和受力状态。如对于大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，主梁采用梁单元模拟，桥墩底部根据实际情况设置为固结或弹性支撑边界条件。荷载取值与组合：依据相关规范，准确确定桥梁所承受的各种荷载，包括恒载、活载、风载、温度作用、地震作用等，并按照规范要求进行荷载组合。例如，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015），恒载包括结构自重、桥面铺装、附属设施等；活载包括汽车荷载、人群荷载等，且需考虑不同的荷载组合工况，如基本组合、偶然组合等，以满足桥梁在不同使用条件下的设计要求。计算分析：运用选定的计算方法，对建立的结构模型进行计算分析，求解结构在各种荷载组合下的内力、变形和应力等响应。在有限元分析中，通过软件的计算功能，得到桥梁各部位的详细力学数据；在解析法中，通过理论公式计算得到结构的内力和变形。结果评估与优化：对计算结果进行详细评估，判断桥梁结构是否满足设计要求，包括强度、刚度、稳定性等方面。如主梁的最大弯矩是否超过材料的抗弯强度，桥墩的水平位移是否在允许范围内等。若不满足要求，则对结构设计进行优化，调整结构尺寸、材料参数或构造措施等，重新进行计算分析，直至满足设计要求为止。例如，若计算结果显示桥墩顶部的弯矩过大，可通过增加桥墩截面尺寸或调整桥墩形式来提高其承载能力，然后再次进行计算，验证优化效果。五、施工技术与过程控制5.1施工方法选择5.1.1悬臂浇筑法悬臂浇筑法在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥施工中应用广泛，具有独特的施工流程和关键技术。其施工流程通常从桥墩顶部开始，首先在墩顶托架上浇筑0号块，这是悬臂浇筑的起始段，0号块的施工质量直接影响后续梁段的施工精度和结构的整体性能。在墩顶设置临时固结措施，使墩梁形成一个临时刚性整体，以承受施工过程中的不平衡弯矩和竖向力，确保施工安全。以某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，0号块采用落地钢管支架施工，支架利用承台基础，在支架上安装底模、外侧模，绑扎钢筋，安装预应力管道，然后进行混凝土浇筑。待0号块混凝土达到设计强度后，张拉纵向预应力钢绞线，以提高梁体的抗裂性能和承载能力。接着安装挂篮，挂篮是悬臂浇筑施工的关键设备，它能够沿着已浇筑的梁段向前移动，为后续梁段的施工提供作业平台。挂篮安装完成后，需进行静载试验，通过加载试验来检验挂篮的强度、刚度和稳定性，测定挂篮在不同荷载作用下的变形情况，为后续梁段的施工提供准确的预拱度数据。从0号块开始，通过挂篮的对称前移，对称平衡地向两侧逐段灌筑混凝土，并施加预应力。每浇筑完一段（通常为3-8m），待混凝土达到设计强度后张拉纵向预应力钢绞线，然后向前移动挂篮，进行下一段施工。在混凝土浇筑过程中，要严格控制浇筑顺序和浇筑速度，确保梁体受力均匀，避免出现过大的变形和裂缝。当悬臂浇筑至边跨和中跨合龙段时，施工进入关键阶段。边跨合龙通常在边跨现浇段施工完成后进行，先安装边跨合龙吊架，对合龙段进行临时锁定，张拉部分预应力筋，以抵抗合龙过程中的温度应力和结构内力变化。然后浇筑合龙段混凝土，待混凝土达到设计强度后，张拉其余预应力筋，最后拆除临时锁定装置，完成边跨合龙。中跨合龙段的施工与边跨类似，但由于中跨合龙时结构体系发生转换，对施工精度和控制要求更高。在合龙过程中，要密切监测梁体的温度、应力和变形情况，根据监测数据及时调整施工参数，确保合龙段的施工质量和结构的顺利体系转换。悬臂浇筑法施工过程中，需注意挂篮的设计与安装、混凝土的浇筑质量控制、预应力张拉的准确性以及施工过程中的监测等关键环节。挂篮的设计应满足强度、刚度和稳定性要求，其行走系统要灵活可靠，确保挂篮在移动过程中的安全。混凝土浇筑时，要严格控制原材料质量、配合比和浇筑工艺，加强振捣，保证混凝土的密实度。预应力张拉是悬臂浇筑法施工的关键工序，要严格按照设计要求的张拉顺序和张拉控制应力进行操作，确保预应力施加的准确性，避免出现预应力损失过大或张拉不足等问题。施工过程中的监测包括应力监测、变形监测和温度监测等，通过实时监测及时发现问题并采取相应的措施进行调整，确保施工过程的安全和桥梁成桥后的质量。5.1.2顶推法顶推法的施工原理是沿桥纵轴方向的台后设置预制场，分阶段预制梁体，纵向预应力筋张拉后，通过水平千斤顶施力，借助滑道、滑块，将梁逐段向前顶推，就位后落梁，更换正式支座。这种方法适用于桥梁跨度较大、桥下净空要求较高或受地形条件限制，无法采用其他施工方法的情况。在某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的施工中，采用顶推法施工。在桥台背后的预制场，按照设计要求分段预制梁体，每个梁段的长度根据施工条件和结构受力要求确定，一般为10-30m。在预制梁段时，严格控制混凝土的浇筑质量和预应力筋的张拉精度，确保梁段的质量符合设计标准。顶推施工的关键是在一定的顶推动力作用下，梁体能在滑道装置上以较小的摩擦系数向前移动。施工实测资料表明，聚四氟乙烯板和不锈钢板之间的摩擦系数一般为0.04-0.06，静摩擦系数比动摩擦系数大些。为减小摩擦阻力，在滑道上铺设聚四氟乙烯板，在梁体底部安装不锈钢板，形成滑动副。在顶推过程中，通过水平千斤顶施加顶推力，克服梁体与滑道之间的摩擦力，使梁体逐段向前移动。顶推施工方法可根据不同的标准进行分类。按顶推动力装置分，有单点顶推和多点顶推。单点顶推是将顶推动力装置集中设置在靠近梁场的桥台或桥墩上，支承在纵向滑道上的垂直千斤顶和支承在墩（台）背墙的水平千斤顶联动，能使梁体以垂直千斤顶为支承向前移动；多点顶推则是在多个桥墩上设置顶推装置，使梁体在多个顶推点的共同作用下向前移动，多点顶推有利于柔性高墩的安全，但必须保证多台千斤顶同步工作，而且可以分级调压，使作用在墩顶的水平力不超过设计允许值。按支承系统分，有临时滑道支承装置顶推施工和永久支承兼用滑道的顶推施工。临时滑道支承装置顶推施工是在永久墩台和临时墩顶设置临时滑道装置进行顶推，待梁体就位后起梁、取掉滑道、更换支座、落梁；永久支承兼用滑道的顶推施工是把永久支座做必要的临时处理，使其成为临时滑道，当顶推结束后，起梁、拆除临时的滑道，把梁体落在永久支座上。按顶推方向分，有单向顶推和双向（相对）顶推。单向顶推即只在桥的一端设置制梁台座，分段预制，逐段顶推，直到全桥就位；双向顶推是在桥的两端台后均设置制梁台座，同时分段预制梁体，逐段顶推，这种方法需要的设备多，只在桥梁较长，工期很紧张的情况下才考虑采用。顶推施工过程中，需要精确控制顶推速度、顶推力大小和梁体的位置，避免出现梁体偏移、墩台受力不均等问题。同时，要加强对顶推设备的检查和维护，确保其正常运行。在顶推过程中，还需对梁体的应力和变形进行实时监测，根据监测结果及时调整顶推参数，保证施工的安全和顺利进行。5.1.3其他施工方法除悬臂浇筑法和顶推法外，大跨矮墩刚构-连续组合梁桥还可采用节段预制拼装法、移动模架法等施工方法，这些方法各有特点，适用于不同的工程场景。节段预制拼装法是将梁体沿纵向划分成若干节段，在预制场预制完成后，通过运输设备将节段运至桥位，采用架桥机、龙门吊等设备进行拼装。这种方法具有施工速度快、受气候条件影响小、预制节段质量易控制等优点，适用于标准化程度较高、节段数量较多的桥梁。例如，在一些城市高架桥建设中，由于桥梁跨径相对较小且数量较多，采用节段预制拼装法能够提高施工效率，减少对城市交通的影响。在施工过程中，要严格控制节段的预制精度和拼装质量，确保节段之间的连接可靠，如采用预应力筋连接、环氧树脂胶接缝等方式，保证梁体的整体性和受力性能。移动模架法是利用可移动的模架系统，在桥位上逐跨浇筑混凝土梁体。移动模架系统通常由承重梁、导梁、模板系统、支撑系统和行走系统等组成。在施工时，先将移动模架移动到待浇筑跨，调整模板位置和标高，然后进行钢筋绑扎、预应力管道安装和混凝土浇筑。待混凝土达到设计强度后，张拉预应力筋，移动模架再移动到下一跨进行施工。移动模架法适用于跨径较大、桥墩较高且桥位地形较为平坦的桥梁，具有施工连续性好、施工安全、质量可靠等优点。例如，在跨越山谷的桥梁施工中，采用移动模架法可以避免在山谷中搭设大量的支架，减少施工难度和风险。但该方法设备投入较大，对施工场地和设备的要求较高，需要在施工前进行详细的规划和准备。在实际工程中，施工方法的选择需综合考虑桥梁的结构特点、跨度、墩高、地质条件、施工场地、工期要求以及经济性等多方面因素。通过对不同施工方法的技术经济比较，结合工程实际情况，选择最适合的施工方法，以确保桥梁施工的安全、质量和进度，同时实现经济效益的最大化。例如，对于一座跨越河流的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥，如果河流宽度较大、水深较深且通航要求较高，采用悬臂浇筑法可以避免在河中搭设支架，减少对河道通航的影响；如果桥梁所在地区地形平坦，施工场地开阔，且工期要求较紧，采用顶推法或节段预制拼装法可能更为合适，能够提高施工效率，缩短工期。5.2施工过程模拟分析5.2.1有限元模型建立利用有限元软件Midas/Civil建立大跨矮墩刚构-连续组合梁桥施工过程的模拟模型。在建模过程中，采用梁单元对主梁和桥墩进行模拟，梁单元能够较好地模拟结构的弯曲和轴向受力特性，符合桥梁结构的实际受力情况。根据设计图纸，准确输入主梁和桥墩的截面尺寸、材料特性等参数，确保模型的准确性。例如，主梁采用变截面箱梁，在输入截面参数时，详细定义跨中、墩顶等不同位置的截面尺寸，以及顶板、底板、腹板的厚度变化情况；桥墩根据实际采用的实心墩或薄壁墩形式，准确输入相应的截面尺寸和材料参数。对于边界条件，在桥墩底部设置固结约束，模拟桥墩与基础的刚性连接，限制桥墩在三个方向的平动和转动自由度；在边跨梁端设置活动支座约束，允许梁体在纵向有一定的位移，以适应温度变化、混凝土收缩徐变等因素引起的梁体变形，同时限制梁体在竖向和横向的位移。在模拟施工过程时，考虑施工顺序和结构体系转换的影响。按照实际施工流程，逐步激活和钝化相应的单元和荷载，模拟桥梁从基础施工、桥墩浇筑、主梁悬臂浇筑或顶推施工，到边跨和中跨合龙，最终形成成桥状态的全过程。例如，在悬臂浇筑施工模拟中，首先激活桥墩单元和0号块单元，施加相应的施工荷载；然后按照悬臂浇筑的节段顺序，依次激活各节段单元，并在每个节段施工完成后，施加预应力荷载，模拟预应力筋的张拉过程；在边跨和中跨合龙时，通过调整约束条件和荷载工况，模拟合龙段的施工和体系转换。5.2.2施工阶段分析通过有限元模型模拟各施工阶段的结构受力和变形情况，为施工过程控制提供关键依据。在桥墩施工阶段，重点分析桥墩在自身重力、施工荷载以及可能的风载作用下的应力和变形情况。以某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，在桥墩浇筑过程中，由于桥墩高度相对较矮，抗推刚度较大，在施工荷载作用下，桥墩底部的应力集中现象较为明显。通过有限元分析可知，桥墩底部的最大压应力可达15MPa，此时需关注混凝土的抗压强度是否满足要求，以及桥墩的稳定性是否受到影响。同时，桥墩在施工过程中的垂直度也至关重要，通过模拟分析不同施工工况下桥墩的水平位移，确保桥墩在施工过程中的偏差控制在允许范围内。在主梁悬臂浇筑或顶推施工阶段，详细分析主梁在各施工阶段的内力和变形。在悬臂浇筑施工中，随着悬臂长度的增加，主梁的弯矩和剪力逐渐增大，尤其是在悬臂端部和墩顶附近，受力情况较为复杂。在某节段悬臂浇筑完成后，主梁悬臂端部的最大正弯矩可达25000kN・m，墩顶附近的最大负弯矩可达-30000kN・m，此时需要根据模拟结果合理调整预应力筋的张拉顺序和张拉力，以控制主梁的应力和变形。同时，关注主梁在施工过程中的竖向挠度变化，通过模拟分析不同施工阶段主梁的竖向位移，为挂篮的预拱度设置提供依据，确保主梁在成桥后的线形符合设计要求。在边跨和中跨合龙阶段，模拟合龙过程中的结构体系转换，分析合龙段混凝土浇筑前后结构内力和变形的变化情况。在边跨合龙时，由于边跨现浇段和悬臂段的连接，结构体系发生改变，会产生较大的次内力。通过有限元模拟可知，边跨合龙后，桥墩顶部的弯矩会发生重新分布，墩顶负弯矩可能会增加10%-20%，此时需要对桥墩和主梁的受力进行详细分析，确保结构的安全。在中跨合龙时，同样需要关注结构体系转换对内力和变形的影响，通过合理安排合龙顺序和施工工艺，减小合龙过程中产生的次内力，保证桥梁结构的顺利合龙和体系转换。根据模拟结果，提出针对性的施工建议，如在合龙段混凝土浇筑前，对悬臂端进行临时锁定，减小温度变化等因素对合龙的影响；在合龙段混凝土达到设计强度后，及时张拉预应力筋，增强结构的整体性。5.3施工过程控制措施5.3.1线形控制控制主梁线形是确保大跨矮墩刚构-连续组合梁桥施工精度的关键环节，其对桥梁的成桥质量和使用性能有着重要影响。主要通过立模标高控制和施工过程监测来实现。立模标高的计算需综合考虑多个因素。首先是设计标高，这是根据桥梁的设计线形和结构要求确定的基准标高，是立模标高的基础。以某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，其设计跨中梁底标高为50m，在计算立模标高时，以此为起始值。其次是预拱度，预拱度的设置是为了抵消桥梁在施工过程中和使用阶段由于恒载、活载等作用产生的下挠变形，使桥梁在成桥后能达到设计的线形要求。预拱度的计算较为复杂，需要考虑混凝土的弹性变形、收缩徐变、预应力作用、温度变化等因素。在该桥中，通过有限元分析软件Midas/Civil建立施工过程模拟模型，考虑上述因素，计算得到在恒载和活载作用下，跨中最大下挠变形为20mm，因此在跨中位置设置20mm的预拱度。施工过程中的变形也是计算立模标高时需要考虑的重要因素。在悬臂浇筑施工中，随着悬臂长度的增加，主梁会产生不同程度的变形，如竖向挠度、横向偏移等。通过对施工过程的实时监测，获取实际变形数据，并根据这些数据对预拱度进行调整，以保证立模标高的准确性。在该桥的悬臂浇筑施工中，每完成一个节段的浇筑，都对主梁的竖向挠度进行监测，若实际竖向挠度比计算值大5mm，则在下一节段的立模标高中增加5mm的调整值。施工过程监测主要包括高程监测和轴线偏位监测。高程监测采用高精度水准仪，在每个节段施工前后，对主梁的前端、后端以及跨中位置进行高程测量，将测量结果与理论计算值进行对比，及时发现并纠正高程偏差。在某节段施工完成后，测量得到主梁前端高程比理论值低3mm，通过分析原因，发现是挂篮变形导致，及时对挂篮进行调整，并在后续节段施工中加强对挂篮变形的监测和控制。轴线偏位监测则使用全站仪，在桥墩和主梁上设置观测点，定期对观测点进行测量，确保主梁在施工过程中的轴线位置符合设计要求。在该桥的施工中，规定轴线偏位允许偏差为±10mm，若测量发现某节段轴线偏位达到8mm，接近允许偏差上限，立即对施工过程进行检查，发现是由于施工过程中挂篮行走不平稳导致，及时采取措施保证挂篮行走平稳，控制轴线偏位在允许范围内。通过及时调整立模标高，可有效控制主梁的线形偏差，确保桥梁施工精度。5.3.2应力控制应力监测和控制是保证大跨矮墩刚构-连续组合梁桥结构安全的重要手段，在施工过程中起着至关重要的作用。主要通过应力监测和调整措施来实现。应力监测采用电阻应变片、光纤光栅传感器等设备。电阻应变片是一种常用的应力监测元件，它通过将应变转换为电阻变化，再通过测量电阻变化来计算应力。在某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的施工中，在主梁的关键截面，如跨中、墩顶等位置，粘贴电阻应变片。将电阻应变片粘贴在主梁的表面，通过导线连接到数据采集仪，实时采集电阻应变片的电阻值，根据电阻值与应变的关系，计算出主梁表面的应变，再根据材料的弹性模量，计算出应力。光纤光栅传感器则是利用光纤光栅的波长变化与应变的关系来监测应力。其具有抗电磁干扰、精度高、可分布式测量等优点，在大跨桥梁的应力监测中得到越来越广泛的应用。在该桥的监测中，在主梁的内部布置光纤光栅传感器，通过光纤传输信号，利用波长解调仪测量光纤光栅的波长变化，从而得到主梁内部的应力。在不同施工阶段，结构的应力分布会发生变化，因此需要对关键截面的应力进行重点监测。在桥墩施工阶段，主要监测桥墩底部的应力，因为桥墩底部承受着上部结构的全部重量，在施工过程中受力较为复杂。在某桥墩施工完成后，通过应力监测发现桥墩底部的最大压应力达到12MPa，接近混凝土的抗压强度设计值，及时调整施工方案，减小施工荷载，保证桥墩的安全。在主梁悬臂浇筑或顶推施工阶段，重点监测主梁跨中、墩顶等截面的应力。在悬臂浇筑施工中，随着悬臂长度的增加，主梁跨中截面的拉应力逐渐增大，墩顶截面的压应力也相应增大。通过实时监测这些截面的应力，当发现主梁跨中截面的拉应力接近混凝土的抗拉强度时，及时调整预应力筋的张拉顺序和张拉力，增加主梁的预压应力，减小拉应力，保证结构的安全。当监测到应力异常时，需及时采取调整措施。若发现应力超过设计允许值，可能是由于施工荷载过大、预应力施加不足或结构存在缺陷等原因导致。通过分析原因，采取相应的措施进行调整。若发现是施工荷载过大导致应力异常，及时减少施工荷载，如调整材料堆放位置、控制施工设备的运行等；若发现是预应力施加不足导致，重新检查预应力张拉设备和张拉工艺，确保预应力施加准确，必要时进行二次张拉，以调整结构的应力状态，保证结构安全。5.3.3合拢段施工控制合拢段施工是大跨矮墩刚构-连续组合梁桥施工的关键环节，其施工质量直接影响桥梁的结构性能和使用寿命。合拢段施工的关键技术和控制要点主要包括以下几个方面：合拢顺序的确定对结构受力和变形有着重要影响。一般先进行边跨合拢，再进行中跨合拢。这是因为边跨合拢后，结构体系发生部分转换，边跨与桥墩形成相对稳定的结构，为中跨合拢创造有利条件。在某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的施工中，边跨合拢时，通过在边跨现浇段和悬臂段设置临时锁定装置，将两者连接成一个整体，然后浇筑边跨合拢段混凝土。待边跨合拢段混凝土达到设计强度后，张拉边跨合拢段的预应力筋，完成边跨合拢。此时，结构体系由悬臂状态转换为带悬臂的连续梁状态，桥墩承受的水平力和弯矩得到一定程度的释放，结构的稳定性得到提高。中跨合拢在边跨合拢完成后进行，此时结构的受力状态更加复杂，对施工精度和控制要求更高。在中跨合拢时，同样需要设置临时锁定装置，抵抗温度变化、混凝土收缩徐变等因素产生的内力，确保合拢段的施工质量。临时锁定装置通常采用劲性骨架，将其安装在合拢段两侧的梁体上，通过焊接或螺栓连接形成刚性连接，限制梁体的相对位移。合拢温度的选择至关重要，一般宜选择在日气温最低且温度变化幅度较小的时段进行合拢。这是因为在低温时段，梁体处于收缩状态，此时合拢可以减小温度变化对合拢段的影响，降低合拢段混凝土在后期使用过程中产生裂缝的风险。在某工程中，通过对当地气温的长期监测和分析，确定在凌晨3-5点进行合拢施工，此时气温最低且相对稳定。在合拢前，对梁体的温度进行实时监测，当梁体温度达到预定的合拢温度范围时，迅速进行合拢段混凝土的浇筑，确保合拢质量。在合拢段施工过程中，还需要对结构的应力和变形进行实时监测。通过应力监测，及时发现结构在合拢过程中的应力变化情况，若发现应力异常，及时调整施工方案，如调整临时锁定装置的安装位置、增加临时支撑等，保证结构的安全。在某桥的合拢段施工中，通过应力监测发现，在合拢段混凝土浇筑过程中，桥墩顶部的应力突然增大，超过了设计允许值。经分析，是由于临时锁定装置的安装位置不合理，导致结构受力不均。及时调整临时锁定装置的安装位置，使结构受力恢复正常，确保了合拢施工的顺利进行。变形监测则主要关注梁体的竖向挠度和横向偏移。通过对梁体变形的监测，及时发现梁体在合拢过程中的变形情况，若变形超过允许范围，及时采取措施进行调整，如调整合拢段的施工顺序、增加配重等，保证梁体的线形符合设计要求。在该桥的合拢段施工中，通过变形监测发现，在中跨合拢时，梁体的横向偏移超出了允许范围。通过在梁体的一侧增加配重，调整合拢段的施工顺序，使梁体的横向偏移得到有效控制，保证了桥梁的成桥质量。六、温度效应与抗震性能研究6.1温度效应分析6.1.1温度场分布规律大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的温度场分布受到太阳辐射、气温变化等多种因素的综合影响，呈现出复杂的变化规律。太阳辐射是导致桥梁结构温度不均匀分布的重要因素之一。在白天，太阳辐射直接作用于桥梁的顶面和侧面，使这些部位的温度迅速升高。其中，桥面顶面由于直接暴露在阳光下，吸收的太阳辐射能量最多，温度升高最为明显。以某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，在夏季晴朗的中午，桥面顶面温度可达50℃以上，而箱梁底部由于受到阳光照射较少，温度相对较低，约为30℃，上下表面形成较大的温差。气温变化也是影响温度场分布的关键因素。昼夜温差会导致桥梁结构的温度在一天内发生周期性变化。在夜间，气温下降，桥梁结构散热，温度逐渐降低；而在白天，随着气温升高，桥梁结构又开始升温。这种昼夜温差的变化使得桥梁结构内部产生温度应力，对结构的耐久性和安全性产生影响。例如，在春秋季节，昼夜温差可达10-15℃，这会使桥梁结构在一天内经历较大的温度变化，增加了结构的疲劳损伤风险。季节温差同样不可忽视，不同季节的气温差异会导致桥梁结构在一年中承受不同程度的温度作用。在冬季，气温较低，桥梁结构处于收缩状态；而在夏季，气温较高，结构处于膨胀状态。这种季节性的温度变化会在桥墩和主梁中产生较大的温度应力，尤其是在墩梁固结处，由于桥墩对梁体的约束作用，温度应力更为集中。通过现场实测和数值模拟相结合的方法，可以深入研究温度场分布规律。在某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的现场实测中，在桥梁的不同部位布置温度传感器，实时监测温度变化。同时，利用有限元软件ANSYS建立桥梁的温度场分析模型，输入太阳辐射强度、气温变化等边界条件，模拟桥梁在不同工况下的温度场分布。将实测结果与模拟结果进行对比分析，验证了数值模拟方法的准确性。通过分析发现，桥梁结构的温度场分布在竖向和横向均存在明显的梯度变化，竖向温度梯度主要集中在箱梁的顶板和底板，横向温度梯度则在箱梁的腹板和翼缘板较为明显。这些研究结果为进一步分析温度效应提供了重要依据。6.1.2温度应力计算温度变化会在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥结构中引发显著的应力和变形，准确计算这些温度应力对于确保桥梁结构的安全至关重要。在整体升降温情况下，由于桥墩与主梁固结，结构的变形受到约束，会产生较大的温度应力。以某主跨为150m的大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，当整体升温25℃时，通过有限元分析可知，桥墩顶部的温度弯矩可达-25000kN・m，主梁跨中的温度应力达到12MPa左右。这是因为在整体升降温过程中，桥墩和主梁的变形趋势不一致，桥墩的约束作用限制了主梁的自由伸缩，从而在结构内部产生了温度应力。梯度温度变化对结构的影响更为复杂，它会使梁体产生不均匀的变形，进而导致结构内力的重新分布。在正梯度温度作用下，梁体上缘温度高于下缘温度，梁体产生向上的翘曲变形。这种变形会在主梁中产生附加的弯矩和剪力，使得主梁跨中截面的下缘拉应力增大，可能超过混凝土的抗拉强度，引发梁体开裂。在某桥的梯度温度分析中，当正梯度温度为15℃时，主梁跨中截面下缘的拉应力达到了2.5MPa，接近混凝土的抗拉强度设计值，此时需要采取有效的措施来控制温度应力，如增加预应力筋的配置等。目前常用的温度应力计算方法主要有有限元法和解析法。有限元法借助专业的有限元软件，如ANSYS、Midas/Civil等，能够对桥梁结构进行精细化模拟，考虑结构的非线性特性、材料特性和边界条件等复杂因素，准确计算温度应力。在利用ANSYS软件计算某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的温度应力时，通过建立三维实体模型，定义材料的热膨胀系数、导热系数等参数，施加太阳辐射、气温变化等边界条件，得到了桥梁结构在不同温度工况下的温度应力分布。解析法是基于结构力学和热传导理论，通过理论推导建立结构的温度应力计算模型。虽然解析法计算过程相对简单，但对于复杂的桥梁结构和温度工况，其计算结果的准确性可能受到一定限制。在一些简单的桥梁结构或初步设计阶段，解析法可以作为一种快速估算温度应力的方法。例如，对于等截面梁在均匀温度作用下的温度应力计算，可以运用材料力学中的公式进行求解。在实际工程中，通常将有限元法和解析法相结合，相互验证和补充，以确保温度应力计算结果的可靠性。6.1.3温度效应控制措施为有效减小温度效应的影响，可采取一系列构造措施和施工方法。在构造措施方面，合理设置伸缩缝是关键。伸缩缝能够允许梁体在温度变化时自由伸缩，从而减小温度应力。以某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，在边跨梁端设置了伸缩缝，其伸缩量根据桥梁所在地区的温度变化范围和梁体的长度等因素进行计算确定。在温度变化时，梁体可以通过伸缩缝自由伸缩，避免了因伸缩受限而产生过大的温度应力。增加构造钢筋也是一种有效的措施。在箱梁的顶板、底板和腹板等容易产生温度裂缝的部位，适当增加构造钢筋的配置，可以提高混凝土的抗裂性能，减小温度应力对结构的影响。在某桥的设计中，在箱梁顶板的上缘和下缘分别增加了一层构造钢筋，钢筋间距加密至100mm，通过有限元分析可知，增加构造钢筋后，箱梁顶板在温度作用下的拉应力明显降低，有效提高了结构的抗裂性能。在施工方法上，选择合适的合拢温度至关重要。一般宜选择在日气温最低且温度变化幅度较小的时段进行合拢，这样可以减小温度变化对合拢段的影响，降低合拢段混凝土在后期使用过程中产生裂缝的风险。在某工程中，通过对当地气温的长期监测和分析，确定在凌晨3-5点进行合拢施工，此时气温最低且相对稳定。在合拢前，对梁体的温度进行实时监测，当梁体温度达到预定的合拢温度范围时，迅速进行合拢段混凝土的浇筑，确保了合拢质量。在混凝土浇筑过程中，采取温控措施也能有效减小温度效应。例如，在夏季高温时段，可对原材料进行降温处理，如对骨料进行喷淋降温、在水中加入冰块等，降低混凝土的入模温度。在某桥的施工中，通过对骨料进行喷淋降温，使混凝土的入模温度降低了5-8℃，有效减小了混凝土在浇筑后因温度升高而产生的温度应力。同时，在混凝土内部预埋冷却水管，通过循环通水带走混凝土水化热，控制混凝土内部温度，也是常用的温控措施之一。在混凝土浇筑后，及时通水冷却，根据混凝土内部温度的变化调整通水流量和时间，确保混凝土内部温度在合理范围内，避免因温度过高产生裂缝。6.2抗震性能研究6.2.1地震响应分析方法在大跨矮墩刚构-连续组合梁桥的抗震性能研究中，时程分析法和反应谱分析法是常用的两种方法。时程分析法是一种直接动力分析方法，它通过输入地震波，对结构进行动力时程积分，能够考虑结构的非线性特性、材料的非线性本构关系以及地震波的持续时间、频谱特性等因素对结构地震响应的影响，从而较为真实地反映结构在地震作用下的动力响应过程。在运用时程分析法时，首先需要选择合适的地震波。地震波的选择应根据桥梁所在地区的地震地质条件、场地类别等因素进行确定，一般会选取多条具有代表性的地震波，如EL-Centro波、Taft波等，以考虑地震波的不确定性。同时，还需要对地震波进行幅值调整，使其峰值加速度符合桥梁所在地区的抗震设防要求。以某大跨矮墩刚构-连续组合梁桥为例，根据该桥所在地区的抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度为0.2