第1章绪论

1.1连续刚构桥概述

1.1.1起源及国外发展

1952年，首座跨径超过100m的预应力混凝土桥梁一沃伦姆斯桥建成，标志着预应力混凝土桥梁向大跨径飞速迈进。沃伦姆斯桥为一座型刚构桥，由于结构截面下缘要承受巨大的压应力，因而采用了闭合的箱形截面。

连续梁桥的发展中，有两个突破方向，一个是向大跨径发展，另一个是向超长连续长度发展。连续梁桥使用过程中支座性能的降低会引发支座更换问题，而型刚构克服了这一问题，将二者结合起来，即产生了连续刚构桥。

1.1.2国内发展

2004年开工建设，并于2006年10月投入运营的重庆石板坡长江大桥复线桥为87.75m+4*138m+330m+133.75m的连续刚构桥，330m主跨为世界同类型桥梁第一跨径。该桥与之前修建的连续刚构桥相比有边主跨比例小、连续长度长、应用混合结构体系、内力受各种因素影响大等特点。

目前，国内建设的主跨250m以上的连续刚构桥按跨径排名如表1.1。

1.2连续刚构桥的结构特点

1.2.1刚构桥形式

通常我们把桥梁结构按其受力特点分为梁、拱、斜拉桥、悬索桥四大类。由于刚构桥主梁和壤刚性连接，在荷载作用下，墩顶位置处主梁产生负弯矩减少了跨中正弯矩，这样主梁跨中截面尺寸得以减小。由于壤梁固结，使得刚构桥成为多次超静定结构，温度、沉降等均会在结构内产生附加内力，施工时体系转换也会引起附加内力，这些力有时占到全部内力较大比例⑴。

刚构桥的基本形式有形刚构桥和连续刚构桥两种。

1.2.2结构受力特点

将连续刚构桥和连续梁桥进行对比分析，可知

（1）主梁受弯情况相似，如果主壞刚度较小，连续刚构桥的主梁受力接近于连续梁桥，如果主墩刚度较大，墩顶产生负弯矩，与主梁一起承受荷载。当然墩梁固结处应力较为复杂，导致计算分析难度增加。

（2）随着壤高增大，活载弯矩在主跨跨中截面与连续梁相比逐渐增加，当壞局超过40m时，两者差距很快减小。

（3）作为超静定结构，温度、徐变、墩台沉降等会在结构内产生附加内力，对结构造成一定影响。

（4）结构抗扭能力强，整体性好，受力合理。

（5）空心薄壁墩底部弯矩随着壤高增加将迅速降低。

（6）墩梁固结使得墩梁协同受力，相比连续梁，连续刚构桥端支点反力要小。

1.2.3各部分类型及特点

1.2.3.1基础

由于基础对地基不均匀沉降要求较严，普遍采用桩基础；但如果桥址处地质条件较好，地基承载力大，也可考虑采用扩大基础。

1.2.3.2墩台

为了满足施工过程和运营期支撑上部荷载的需要，壤身需要有一定的刚度和稳定性，必要时，还要采取措施增加壤身稳定性；同时，桥墩要能够适应各种因素造成的水平位移，墙身要保证一定的柔度。

桥墩横截面常采用单薄壁壤或双薄壁墩，以保证壞身具备一定柔度，满足纵桥向位移需要。

双肢薄壁墩常用于墩身高度在40m以内的桥梁，能够较好地满足结构纵向变形和悬臂施工要求；单肢柱为了满足悬臂施工要求，纵向尺寸较大，适应纵向变形能力差，常用于填高大于40m的桥梁。

第2章工程概况及有限元模型的建立

2.1工程项目技术标准及建设条件

桂平至来宾高速公路位于广西中部，起点接梧州至贵港高速公路，经武宣至来宾，接来宾至马山高速公路。

2.1.1通航、防洪评价

依据广西壮族自治区交通运输厅桂交基建函545号文以及依据广西壮族自治区交通运输厅桂交水运函492号文，齡江特大桥单孔通航尺寸为156m*13m。设计最高通航水位为二十年一遇水位63.69m。依据水利部珠江水利委员会河道管理范围内建设项目准予水行政许可决定书国珠建管字2011第1号文件，基本同意工程的选址，基本同意工程的布置方案。

2.2结构形式及设计要点

2.2.1桥型方案

综合考虑地形、地质、通航及施工、路基填土高度等方面因素，引桥均采用先简支后连续预应力轮梁。而对于主桥，则推荐了预应力混凝土连续刚构桥与预应力混凝土矮塔斜拉桥相比较。两个桥型方案比较如下。

（1）方案一：预应力混凝土连续刚构桥

桥跨组合为2*30+106+200+106+8*30m，主桥为106+200+106m预应力混凝土连续刚构，引桥为先简支后连续后张法预应力验T梁，桥长719m。主桥桥型方案简图如图2.1示。

主桥下构布置：桥壤用双肢薄壁壤，墩高31.4m，薄壁厚3.5m，宽12.5m，间距5.5m，壞梁固结，引桥下构桥壞采用三柱壤，桥台采用助式埋置式台；主桥及引桥桥墩、桥台均为桩基础。

（2）方案二：双索面矮塔斜拉桥

主桥方案为106+200+106m双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，桥梁宽度22.9m，引桥为先简支后连续后张法预应力轮T梁。桥梁全长687.54m。方案设计简图见图2.2。

本桥为双索面矮塔斜拉桥，斜拉索在梁上描固于箱梁两侧横助的边缘位置。主桥桥缴为矩形桥壤，壞高33.85m，主桥桥墩处塔梁固结、塔墩固结，桥塔为实心矩形截面，桥塔横向分左右两肢。引桥下构桥壤采用三柱墩，桥台采用助式埋置式台；主桥及引桥桥墩、桥台均为钻孔灌注桩基础。桥梁施工方案采用挂篮悬臂对称饶筑的方法施工。

第3章结构力学计算分析.........18

3.1有限元模型的建立.....18

第4章主墩刚度变化对结构受力的影响........23

4.1单柱式与双柱式墩对比........23

4.2主墩刚度变化对主梁的力学影响分析......23

4.2.1主墩刚度变化对最大悬臂状态结构受力的影响.......23

第5章结构稳定性研究..........30

5.1稳定性分析原理..........30

5.2稳定分析的有限元求解....32

第5章结构稳定性研究

5.1稳定性分析原理

结构失稳是指在外荷载作用下，结构丧失保持平衡的能力。早在1744年，欧拉进行了弹性压杆屈曲的理论计算.1889年恩格赛则给出了塑性稳定的理论解。布里安在1891年作了简支矩形板单向均勻受压的稳定分析。

结构稳定主要分为分支点稳定和极值点稳定极值点稳定在实际中遇到的最多，极值点稳定的上限可近似由分支点稳定的临界荷载代表，所以分支点稳定在理论分析中仍占有重要地位。

桥梁结构失稳可分为部分结构或整个结构的失稳，个别构件的失稳，构件的局部失稳稳定分析是从纯理论的角度衡量一个理想结构的稳定承载力及对应的失稳模态。可以在理论上对结构的稳定承载力进行初期的预测，初步预测结构的稳定承载力，进一步校核单根构件截面设计的合理性。在壤柱计算模式上，壞柱的自由长度计算是一个比较关键的问题，一般按照桥壤壞底嵌固、墩顶自由的计算模式进行偏心矩增大系数的计算。

在高壞大跨径桥梁的施工及运营过程中，桥壞属于受压构件，在上部结构巨大的轴向压力作用下，结构稳定性是结构安全性验算的一个重要内容因此对于这类桥梁，稳定性验算至关重要。线弹性稳定分析在薄壁高壞刚构桥的分析中运用比较广泛但其不能反应结构初始缺陷和局部材料进入非线性等对结构极限承载力的影响。

国内外学者进行了很多大跨桥梁几何非线性的研究工作，几何非线性有柔性桥梁结构的恒载状态确定问题、柔性结构的恒活载计算问题。高壞大跨连续刚构桥的几何非线性问题主要有两个方面主梁、桥壤中轴力和弯矩相互作用而产生的梁一柱效应。

查阅的文献以广西布柳河大桥为背景，以稳定性理论为基础，釆用控制上部箱梁最小尺寸及釆用缆索吊装系统措施提高桥梁的稳定性。

结论与建议

本文首先回顾了连续刚构桥的起源，论述了连续刚构桥的结构构造、受力特点、国内外发展现状和发展趋势，并结合一座高墩特大跨径连续刚构桥一黔江大桥，利用桥梁专业有限元软件建立全桥空间分析模型，对桥梁结构进行了全面的结构分析和结构验算，并重点对结构的动力特性和屈曲稳定进行了研究，包括施工阶段、不同墩柱形式、不同主墩刚度下的稳定性能进行了对比分析，得到如下结论。

（1）连续刚构桥作为一种墩梁固结的多次超静定结构体系，上、下部结构共同承受荷载，主墩的柔性又能很好地适应纵向位移，具有结构整体性好，抗震性能优，抗扭能力大，结构受力合理，桥型简洁明快等优点。随着西部山区基础设施建设的蓬勃发展，连续刚构桥、特别是高墩大跨桥梁将会得到更为广泛的应用，并朝着跨径不断增大、上部构造不断轻型化和连续长度进一步增长等方向发展。

（2）以本文依托工程一黔江大桥为分析对象，提出了高墩大跨连续刚构桥和矮塔斜拉桥两个不同桥型方案，从技术、经济、施工等多方面进行了方案比选，最终选定了主跨200m的高墩连续刚构桥作为最终的桥梁施工方案。并完成了大桥设计。

（3）详细介绍了黔江大桥设计和施工特点，采用桥梁分析软件对其进行了建模分析，综合考虑各种荷载情况，对主桥在三个典型施工阶段（最大悬臂状态、边跨合拢状态、成桥状态）、及持久状态及短暂状态的内力进行了全面的分析，发现轴力和剪力由于施工阶段荷载不同有微小差别，最大弯矩随着施工阶段递进而减小，这主要是结构体系转换引起的，由最大悬臂到边跨合拢状态，内力变化不大，至成桥状态，墩顶负弯矩减小，反映了结构体系约束不断增加，墩顶最大弯矩向中跨及边跨迁移的规律。并根据规范规定进行了荷载组合和结构验算。结果表明本桥设计的各项指标，如正截面和斜截面抗裂性能、强度，都满足规范要求。

（4）对黔江大桥进行了结构动力特性分析。结构系统自振特性是结构系统的重要动力特征，对求解结构系统的动力反应具有重要的作用。对黔江大桥的动力特性研究分析，发现计算出的振型反应出桥梁整体上的对称特点，说明本桥有限元计算模型的建立和边界条件的设置正确，能确反映出桥跨对称布置下的动力特性。第一阶振型反对称纵向弯曲振动，反映了薄壁墩对该桥的动力特性有较大的影响。梁的竖向振动和横向弯曲振动交替出现，说明箱梁结构的梁高取值、横截面设计、顶底板厚度和桥墩的截面形式等都较为合理，全桥的扭转振动频率较高，说明了箱形梁抗扭刚度大的特点。

参考文献（略）