中國連續(xù)剛構橋的調查與分析

王會利, 謝常領, 秦泗鳳, 涂可瑜

(1.大連理工大學 橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116023； 2.大連大學 材料破壞力學數(shù)值試驗研究中心)

1 概述

連續(xù)剛構橋采用墩梁固結的形式，不設支座，節(jié)省了支座制造、養(yǎng)護和更換的費用；由于墩梁共同參與工作，與相同跨徑的連續(xù)梁橋相比，跨中彎矩減小，可以進一步減小跨中梁高，減輕主梁自重；成橋狀態(tài)和施工過程受力一致無需體系轉換，適合采用懸臂施工法，適用于跨越高山峽谷、深水河流；連續(xù)剛構橋結構整體性能好、抗震能力強、抗扭潛力大,橋體具有簡潔明快等特點。但是,其對溫度變化、混凝土收縮、徐變等比較敏感，橋墩需要考慮采用一定的防撞措施。

中國于1988年建成第一座大跨度連續(xù)剛構橋——廣東洛溪大橋，近30年來，連續(xù)剛構橋在中國發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，全球跨徑排名前10的連續(xù)剛構橋中有5座在中國，分別是石板坡復線橋(330 m)、北盤江大橋(290 m)、虎門大橋輔航道橋(270 m)、蘇通大橋輔橋(268 m)和沅江紅河大橋(265 m)，其中位于重慶的石板坡復線橋，主跨330 m，在同類橋梁中主跨排名第一。位于貴州省的赫章特大橋，主墩高達195 m，在同類型的橋中墩高排名亞洲第一；湖北臘八斤特大橋、龍?zhí)逗哟髽蛑鞫找卜謩e達到了182.64、178 m。中國在連續(xù)剛構橋的設計和施工中積累了豐富的經驗，具有很高的技術水平。

該文在收集大量連續(xù)剛構橋資料的基礎上，梳理了中國連續(xù)剛構橋的建設和分布情況，并從跨徑、墩頂梁高、跨中梁高、主墩等方面對這種橋型的設計參數(shù)進行分析和總結，以期為連續(xù)剛構橋的設計和研究提供一定的參考。

2 建設和分布狀況

該文統(tǒng)計的對象為1988—2016年中國建成的連續(xù)剛構橋(不包括T形剛構和整體式連續(xù)剛構)，共收集到橋梁349座，其中由于部分橋梁的數(shù)據(jù)不全，因此在后面的分析中以已知該參數(shù)的橋梁為分析對象。由于港澳臺地區(qū)的資料相對缺乏，故統(tǒng)計的數(shù)據(jù)主要來自中國大陸31個省級行政區(qū)。由于篇幅所限，該文未一一列出所參考的文獻資料，僅給出了部分橋例的簡要概況如表1所示。

圖1為中國連續(xù)剛構橋新建量以及保有量隨時間的增長關系。2002年以前中國連續(xù)剛構橋的建設比較平穩(wěn)，以每年5座左右的新建量增加，而從2003年開始，新建量激增，尤其是2010年以來平均年增長量在25座左右，這與2000年以來國家大力發(fā)展交通運輸業(yè)以及2008年金融危機以來較大規(guī)模的交通基礎設施建設趨勢有關，如此快的增長速度也說明了連續(xù)剛構這種橋型具有很大的優(yōu)勢和適用性。在中國大陸31個省級行政區(qū)中，連續(xù)剛構橋在其中的26個行政區(qū)(占比84%)中分布，主要集中在貴州(90座)、重慶(67座)、陜西(33座)、四川(31座)、湖北(29座)、湖南(16座)6省區(qū)，共分布267座，占總數(shù)的73.4%，這些地區(qū)處于青藏高原和帕米爾高原向長江中下游地區(qū)平原的過渡地帶，系云貴高原和黃土高原的所在地，多高山峽谷，適合連續(xù)剛構橋的跨越。

表1 部分連續(xù)剛構橋的概況

圖1 連續(xù)剛構橋梁新建量和保有量

3 數(shù)量及跨徑

由統(tǒng)計分析知：在349座連續(xù)剛構橋中，公路橋梁占比81.09%(283座)，鐵路橋梁占比14.04%(49座)，市政橋梁占比4.01%(14座)，公鐵兩用橋占比0.86%(3座)。不同跨徑范圍內公路橋和鐵路橋數(shù)量統(tǒng)計如圖2所示。由于連續(xù)剛構橋中的市政橋和公鐵兩用橋數(shù)量較少，不具有統(tǒng)計意義，在此不予說明，以下篇幅也不在分析之列。

圖2 不同跨徑范圍內公路橋和鐵路橋數(shù)量統(tǒng)計

4 設計指標

4.1 設計速度

公路橋和鐵路橋設計速度統(tǒng)計如圖3、4所示。

圖3 公路橋的設計速度統(tǒng)計

圖4 鐵路橋的設計速度統(tǒng)計

4.2 混凝土指標

公路橋和鐵路橋混凝土指標統(tǒng)計結果如表2所示。

表2 混凝土指標統(tǒng)計結果

5 主梁結構參數(shù)

在349座橋梁中，有345座的主梁為混凝土箱梁，占比98.85%。283座公路橋梁中，主梁為單箱雙室的2座，占比0.71%；單箱單室的281座，占比99.29%。3座公鐵兩用橋主梁全部為單箱雙室。14座市政橋和49座鐵路橋梁主梁全部為單箱單室。鑒于此，該文主梁結構參數(shù)分析中，主要研究281座單箱單室公路橋和49座單箱單室鐵路橋。

5.1 梁底曲線參數(shù)

連續(xù)剛構橋梁底曲線形式的選擇可以減輕結構的自重，優(yōu)化結構受力性能，同時也是橋梁美的一種體現(xiàn)。在此次統(tǒng)計中，有關梁底曲線的數(shù)據(jù)共137個，其中鐵路橋32個，公路橋105個，從圖5中可以看出：連續(xù)剛構鐵路橋和公路橋都采用了拋物線和圓曲線的形式，其特點也不盡相同。

圖5 公路橋和鐵路橋梁底曲線統(tǒng)計

拋物線的一般方程為：

y=axn

(1)

由圖6統(tǒng)計結果可知：鐵路橋梁最常采用1.8次和2次拋物線以及圓曲線。由圖7可知：公路橋梁較多采用1.5、1.8和2次拋物線。公路橋和鐵路橋梁底曲線的不同主要是因為承受的荷載不同。

圖6 鐵路橋梁底曲線

圖7 連續(xù)剛構公路橋梁底曲線形式

5.2 墩頂主梁高跨比

在此次統(tǒng)計分析中，關于主梁高跨比的有效數(shù)據(jù)共158個，其中公路橋梁123座，鐵路橋梁35座 。由圖8可以看出：鐵路橋梁連續(xù)剛構墩頂梁高和跨徑的關系呈線性關系，擬合方程如下：

y=0.051 1x+2.536 4

(2)

相關系數(shù)達到了0.818 3，具有較高的可信度。

圖8 鐵路橋墩頂主梁高跨比

由圖9可以看出：連續(xù)剛構公路橋梁墩頂梁高和跨徑的關系呈現(xiàn)非線性關系，擬合曲線方程如下：

y=9.807lnx-40.241

(3)

相關系數(shù)達到了0.883 8，具有較高的可信度。在進行連續(xù)剛構公路橋和鐵路橋設計時，墩頂梁高可參考此統(tǒng)計關系。

圖9 公路橋墩頂主梁跨高比

5.3 跨中主梁高跨比

對于公路橋梁跨中梁高和主跨的關系，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)生成的散點(圖10)擬合曲線后方程如下：

y=0.137 1x0.624

(4)

圖10 公路橋跨中主梁跨高比

相關系數(shù)為0.733 4。并且由圖10可知：公路橋跨中梁高最小取2 m以上，并隨著主跨跨徑的增大跨中梁高也相應增大，但是增幅有放緩的趨勢，特別是跨徑達到300 m左右，主梁跨中多采用鋼箱梁、混凝土波形鋼腹板組合梁，或者采用新材料比如高強輕質混凝土，以減小主梁自重增大跨度，相應的跨中梁高增幅不明顯。

鐵路橋跨中梁高與主跨跨徑擬合成的曲線方程如下：

y=0.016x+2.562 3

(5)

相關系數(shù)為0.305 1，相關性較差。由圖11可知：鐵路橋跨中梁高最小為2.5 m以上。

圖11 鐵路橋跨中主梁跨高比

連續(xù)剛構公路橋和鐵路橋數(shù)據(jù)比較后知，在相同跨徑下，連續(xù)剛構鐵路橋梁跨中主梁高度要大于公路橋主梁跨中高度。

5.4 底板厚度

連續(xù)剛構公路橋墩頂?shù)装搴穸群投枕斄焊叩年P系如圖12所示，呈冪函數(shù)的關系。

y=0.227 1x0.691 8

(6)

相關系數(shù)0.626，在進行結構設計時可作為參考。

圖12 公路橋墩頂梁高和底板厚度的關系

連續(xù)剛構公路橋跨中梁高和跨中底板厚度的關系如圖13所示，擬合曲線后，相關性較差，但是圖13顯示跨中底板厚度集中在25～35 cm之間。

圖13 公路橋跨中梁高和底板厚度的關系

連續(xù)剛構鐵路橋梁梁高和厚度未發(fā)現(xiàn)明顯關系，但從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，墩頂?shù)装搴穸葹?0～120 cm，跨中底板厚度為35～55 cm，并且在相同跨徑下，鐵路橋梁的底板厚度大于公路橋梁底板厚度。

5.5 頂板厚度

連續(xù)剛構公路橋梁跨中頂板和跨中梁高擬合曲線關系不明顯，由圖14可知跨中頂板的厚度為25～30 cm。

圖14 公路橋跨中梁高和跨中頂板厚度的關系

連續(xù)剛構公路橋梁墩頂主梁頂板厚度與墩頂梁高擬合曲線關系不明顯，由圖15可知：墩頂主梁頂板多集中在25、45、50 cm這3個厚度上。

圖15 公路橋墩頂梁高和頂板厚度的關系

統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析連續(xù)剛構鐵路橋梁梁高和頂板未有明顯關系，主梁頂板厚度為50 cm左右。

6 橋墩

在此項統(tǒng)計中有公路橋105座，鐵路橋41座。不同橋墩類型數(shù)量及占比見表3。由表3可知：鐵路橋和公路橋都較多地采用了雙肢薄壁墩，雙肢間凈距：鐵路橋一般取6～8 m，壁厚1.2～1.5 m；公路橋一般取4～9 m，壁厚0.5～0.8 m。

表3 不同橋墩類型數(shù)量及占比

7 結論

(1) 連續(xù)剛構橋在中國主要分布在貴州(90座)、重慶(67座)、陜西(33座)、四川(31座)、湖北(29座)、湖南(16座)6省區(qū)，共267座，占總數(shù)的73.4%。從2003年開始，中國連續(xù)剛構橋增長迅速，尤其是2010年以來平均每年以25座的速度增長。

(2) 在統(tǒng)計的349座橋梁中，主要是公路橋(283座)和鐵路橋(49座)，公路橋的跨徑多集中在100～200 m，鐵路橋的跨徑多集中在100～150 m。

(3) 連續(xù)剛構公路橋上部結構多采用C50和C55混凝土，下部結構多采用C40和C50混凝土；鐵路橋上部結構多采用C50和C55混凝土，下部結構多采用C35和C40混凝土。

(4) 公路橋主梁多采用單箱單室，占比99.29%，梁底曲線多采用1.5次、1.8次和2次拋物線；鐵路橋主梁全部采用單箱單室截面，梁底曲線常采用1.8次和2次拋物線以及圓曲線。

(5) 鐵路橋墩頂梁高與跨徑呈線性關系，關系式為y=0.051 1x+2.536 4，跨中梁高為2.5 m以上，墩頂主梁底板厚度為80～120 cm，跨中主梁底板厚度為35～55 cm，頂板厚度為50 cm左右。

(6) 連續(xù)剛構公路橋墩頂梁高和跨徑的關系呈現(xiàn)非線性關系，擬合曲線方程為y=9.807lnx-40.241；公路橋梁跨中梁高和主跨關系式為y=0.137 1x0.624。跨中主梁底板厚度多集中在25～35 cm之間；跨中主梁頂板厚度為25～30 cm之間；墩頂主梁頂板多集中在25、45、50 cm這3個厚度上。

(7) 連續(xù)剛構鐵路橋和公路橋都較多地采用了雙肢薄壁墩，雙肢間凈距：鐵路橋一般取6～8 m，壁厚1.2～1.5 m；公路橋一般取4～9 m，壁厚0.5～0.8 m。