王超 黃從俊 王佳

(合肥市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽合肥 230041)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，城市建設(shè)的突飛猛進，一座座高架橋和互通立交拔地而起，而在高架橋和立交的設(shè)計中，經(jīng)常會遇到各種復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)。本文以一座已經(jīng)運營兩年的異形變寬連續(xù)梁橋為例，探討此種橋梁的一般設(shè)計方法和要點。

1 工程背景

本橋是肥西縣金寨南路跨派河大橋引橋的一部分，位于大橋主線和右轉(zhuǎn)匝道結(jié)合處，設(shè)計為24+34+24=82 m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁中跨處開始變寬，橋梁結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)平面圖

等寬段采用單箱四室斷面，橋面加寬處為單箱六室，梁高為1.8 m。為了分析該異形結(jié)構(gòu)的受力特點和應(yīng)力應(yīng)變特性，采用平面桿系有限元和空間梁格有限元兩種方法，分別建立平面模型和簡化空間模型，計算在規(guī)范規(guī)定的荷載工況下各腹板及頂?shù)装宓膬?nèi)力及撓度，并進行合理配筋，使結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范規(guī)定的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的各限值。

2 計算方法

2.1 計算參數(shù)

本橋采用橋梁博士橋梁專用計算軟件3.11分別計算平面和空間模型，并對結(jié)果進行對比。主梁采用C50混凝土，二期恒載按實際計算，橋梁設(shè)計安全等級一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，活載為公路Ⅰ級，支座沉降、非線性溫度、升溫降溫變化、收縮徐變等參數(shù)數(shù)值均采用規(guī)范規(guī)定值。

2.2 平面桿系計算

選取第一跨跨中截面、2號支點截面、第二跨跨中截面、3號支點截面、第三跨跨中截面5個特征截面計算結(jié)果比較。正常使用狀態(tài)短期組合2(拉應(yīng)力)和標準組合3的應(yīng)力(壓應(yīng)力)結(jié)果計算見表1。

表1 特征截面應(yīng)力計算表(一) MPa

承載能力極限狀態(tài)組合特征截面的彎矩計算結(jié)果如表2所示。

表2 特征截面彎矩計算表(一) kN·m

結(jié)構(gòu)自重作用下的支點反力計算結(jié)果如表3所示。

表3 自重作用下支點反力(一) kN

2.3 空間梁格計算

空間梁格法即最早由Sawko提出的剪力柔性梁格法，其基本原理為:上部結(jié)構(gòu)靂一個等效梁格模擬，將分散在箱梁每一段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格，橫向剛度則集中于橫向梁格內(nèi)，當結(jié)構(gòu)原型和等效網(wǎng)格承受相同荷載，它們的撓曲變形相等，并且在任一網(wǎng)格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩等于它們所代表的那一部分結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。由于理論結(jié)構(gòu)與實際結(jié)構(gòu)存在差異，因此本方法為近似計算，滿足工程精度要求即可。

劃分梁格單元。

斷面劃分按照劃分后截面與劃分前截面的中性軸基本一致的原則進行劃分，將原閉合箱形截面劃分為等效工字形截面，斷面劃分如圖2所示。

圖2 斷面劃分示意圖

每個等效工字形截面為縱梁截面，縱梁的橫向連接在一般部位考慮原箱形截面的頂?shù)装遄饔?，并保證橫向單元的中性軸與原截面一致，在有橫梁和橫隔板部位，橫向單元截面為該處的橫梁截面或橫隔板截面。

全橋空間單元模型建立如圖3所示。

圖3 空間梁格模型圖

正常使用狀態(tài)短期組合2(拉應(yīng)力)結(jié)果計算見表4。

表4 特征截面應(yīng)力計算表(二) MPa

承載能力極限狀態(tài)組合特征截面的彎矩計算結(jié)果見表5。

表5 特征截面彎矩計算表(二) kN·m

結(jié)構(gòu)自重作用下的支點反力計算結(jié)果見表6。

表6 自重作用下支點反力(二) kN

3 結(jié)果比較

正常使用狀態(tài)短期組合2的平面桿系模型計算和空間梁格模型計算結(jié)果見表7。

平面桿系計算和空間梁格自重作用下?lián)隙扔嬎憬Y(jié)果見表8。

由表8可見，平面桿系單元的計算與空間梁格單元計算的整體荷載效應(yīng)類似，但在特征點的幅值上有差異，平面桿系計算不能反映偏載作用下各個腹板的內(nèi)力變化;平面桿系計算的支座反力不能反映同一橋墩處不同支點的反力差異，在選擇支座型號時，僅以平面桿系反力計算值除以支點數(shù)的平均值作為選取支座型號的依據(jù)是不安全的;在橋梁加寬處，腹板預(yù)應(yīng)力鋼束需單獨設(shè)置，而這一點只能通過梁格法的計算才能完成，平面桿系計算無法滿足設(shè)計要求;從空間計算結(jié)果看，每個腹板之間內(nèi)力分布也有一定差異，靠近加寬處的腹板內(nèi)力和支座反力均較大，這是導致單側(cè)加寬橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭矩的原因。在加寬處，通過增加腹板即縱梁F，能相應(yīng)減小應(yīng)力峰值，改善受力。

表7 短期組合2比較表 MPa

表8 撓度比較表 cm

4 結(jié)語

通過上述兩種方法計算比較可得，對于這種結(jié)構(gòu)不規(guī)則的異形變寬箱梁，設(shè)計時僅采用多種方法分析結(jié)構(gòu)在恒載及可變荷載作用下的受力特性是有必要的。由于各腹板的受力不同，因此各腹板的預(yù)應(yīng)力設(shè)置要保證各腹板的受力均要滿足規(guī)范要求。平面桿系計算雖不能完全反映該類型結(jié)構(gòu)的空間上的受力特性，但為設(shè)計配置預(yù)應(yīng)力鋼束提供初步的依據(jù)，在設(shè)計時，可先依據(jù)平面桿系的結(jié)果進行配筋，然后建立空間梁格模型驗算，并調(diào)整相應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼束配置。而上述兩種方法也均存在缺點，即都不能準確考慮箱梁的剪力滯、扭轉(zhuǎn)、畸變等效應(yīng)，在設(shè)計中往往通過對規(guī)范荷載乘以一定安全系數(shù)來保證結(jié)構(gòu)安全。除計算外，設(shè)計中也應(yīng)注意其他問題，如由于結(jié)構(gòu)的不對稱性導致預(yù)應(yīng)力設(shè)計的不對稱，在施工過程中應(yīng)注意保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以考慮通過多次分批張拉預(yù)應(yīng)力鋼束解決該問題，還有支座應(yīng)選取有一定抗扭能力的盆式橡膠支座，不建議使用板式橡膠支座。

本橋通車已四年時間，運營情況良好。因此，在遇到該類結(jié)構(gòu)時，靈活運用平面桿系法和空間梁格法能為設(shè)計者節(jié)約大量時間并滿足工程設(shè)計需要。

［1］范立楚.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］戴公連，李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計方法與應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］徐海軍，冷金榮.城市高架橋異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010(8)：9-10.

［4］藺鵬臻，劉世忠.橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京：科學出版社，2008.