吳紅升 唐 軍

(太原市市政工程設計研究院，山西太原 030002)

1 工程概況

正在修建的太原市南中環(huán)高架橋位于太原市南中環(huán)道路上，是太原市環(huán)線建設的重點工程，該段高架橋橋梁全長為2 094．62m，連續(xù)上跨南中環(huán)街與平陽路、長治路、體育路的交叉口，在上跨平陽路、長治路和體育路路口處采用36 m+56 m+36 m變截面預應力混凝土連續(xù)梁，其余采用4×28 m(共1聯(lián))，4×29 m(共2聯(lián))，3×30 m(共5聯(lián))，4×30 m(共4聯(lián))和3×35 m(共3聯(lián))等截面預應力混凝土連續(xù)梁，橋梁標準段寬度23．5 m(0．5 m防撞護欄+11 m機動車道+0．5 m中央分隔墩+11 m機動車道+0．5 m防撞護欄)。在平陽路與長治路之間設置與主線平行的上、下行匝道各一座，匝道橋寬度8．5m，上、下橋梁的匝道均采用3×30 m(1聯(lián))和4×30 m(1聯(lián))等截面預應力混凝土連續(xù)梁，匝道橋與主橋相接處主橋寬度從41．5 m漸變?yōu)?3．5 m過渡的異形塊，變寬處異形塊采用20．5 m+3×25 m+20．5 m等截面鋼筋混凝土連續(xù)梁，41．5 m等寬處箱梁為4×30 m(共1聯(lián))。下部結構主線整幅式標準段橋墩立柱形式采用帶橫梁雙立柱橋墩，立柱采用帶圓角的矩形斷面，高度從中間向兩側呈弧線形變高，為增大支座間距，在頂部立柱適當外傾。主線平行式匝道及立交匝道橋墩立柱采用單立柱形式。橋臺采用薄壁橋臺。橋墩、臺基礎采用承臺配樁基，樁基礎均按摩擦樁設計，樁徑采用1．5 m，1．2 m。在匝道與異形塊順接段，由于箱梁寬度為41．5 m，高為2 m(見圖1)，墩頂橫梁支點較少，受力極為復雜，為了確保橋梁安全，需要對該段橋梁墩頂處的中橫梁建立模型并進行力學性能分析。

2 有限元模型的建立

常用的橫梁簡化計算方法采用平面桿系模型［1］，采用有限元軟件橋梁博士進行建模，在橋梁有限元建模中，結合類似橫梁的建模經驗，采用梁單元模擬，單元截面如圖2所示;墩頂支座處分別按照支座的活動方向釋放或約束相應方向的位移;鋼束布置形式按照橫梁鋼束的實際位置進行模擬，鋼束布置形式如圖3所示。因箱梁截面兩側斜腹板分擔荷載的大小不容易確定，墩頂中橫梁采用兩種加載方式進行比較和確保橫梁安全，如表1所示，汽車荷載按照一個車道產生的支座反力在橫梁上沿橋寬方向按照實際車道數施加。

圖1 墩頂箱梁橫斷面圖（單位：cm）

圖2 單元截面（單位：cm）

圖3 鋼束布置形式

表1 荷載加載方式

3 計算結果及其分析

3．1 荷載施加方式一計算結果

橫梁彎矩關于橫梁中心近似對稱，在承載能力極限狀態(tài)下從最大抗力及內力圖中可以看出橫梁最大抗力在正彎矩區(qū)為32 132 kN·m，最大內力為 5 620 kN·m，負彎矩區(qū)抗力為－50 573 kN·m，內力－14 503 kN·m(見圖4)。在承載能力極限狀態(tài)下從最小抗力及內力圖中可以看出橫梁最小抗力在負彎矩區(qū)為－50 573 kN·m，最小內力為－35 287 kN·m(見圖4)。滿足規(guī)范JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范第5．2．2的規(guī)定。在荷載短期效應組合下［2］，上緣最大正應力為10．427 MPa，最小正應力為 －0．177 MPa(見圖5)，下緣最大正應力為6．398 MPa，最小正應力為 －0．134 MPa(見圖6)，最大主壓應力為10．427 MPa，最大主拉應力為 －0．816 MPa(見圖7)。在荷載長期效應組合下上緣最小正應力為0．056 MPa(見圖8)。以上數據均滿足JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范第6．3．1的規(guī)定。

圖4 最大最小抗力及內力圖（單位：kN·m）

圖5 荷載短期效應組合下上緣最大最小正應力（單位：MPa）

圖6 荷載短期效應組合下下緣最大最小正應力（單位：MPa）

圖7 荷載短期效應組合下最大主應力（單位：MPa）

圖8 荷載長期效應組合下上、下緣最小正應力（單位：MPa）

3．2 荷載施加方式二計算結果

橫梁彎矩關于橫梁中心近似對稱，在承載能力極限狀態(tài)下從最大抗力及內力圖中可以看出橫梁最大抗力在正彎矩區(qū)為32 132 kN·m，最大內力為 1 629 kN·m，負彎矩區(qū)抗力為－50 573 kN·m，內力－11 343 kN·m(見圖9)。在承載能力極限狀態(tài)下從最小抗力及內力圖中可以看出橫梁最小抗力在負彎矩區(qū)為－50 573 kN·m，最小內力為－32 570 kN·m(見圖9)。滿足規(guī)范JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范第5．2．2的規(guī)定。

在荷載短期效應組合下，上緣最大正應力為9．011 MPa，最小正應力為0．407 MPa(見圖10)，下緣最大正應力為6．206 MPa，最小正應力為1．077 MPa(見圖11)，最大主壓應力為9．071 MPa，最大主拉應力為－0．9 MPa(見圖12)。在荷載長期效應組合下上緣最小正應力為1．267 MPa(見圖13)。以上數據均滿足JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范第6．3．1的規(guī)定。

圖9 最大最小抗力及內力圖（單位：kN·m）

圖10 荷載短期效應組合下上緣最大最小正應力（單位：MPa）

圖11 荷載短期效應組合下下緣最大最小正應力（單位：MPa）

4 結語

通過以上結果可以得出以下結論:

1)兩種加載方式計算的內力圖基本一致，加載方式一在支座處和跨中內力均比方式二稍大，這是因為在豎直腹板上所施加的箱梁荷載稍大。兩種加載方式均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

2)從應力圖中可以看出，兩種加載方式的應力圖基本一致，加載方式二的應力圖較加載方式一更均勻，因加載方式二兩側的斜 腹板分擔了一部分箱梁荷載，使各個腹板受力都較方式一均勻。

圖12 荷載短期效應組合下最大主應力（單位：MPa）

圖13 荷載長期效應組合下上、下緣最小正應力（單位：MPa）

3)墩頂橫梁施加的預應力鋼束均滿足兩種加載方式，且均有一定的安全度，橫梁的各項力學性能指標均滿足規(guī)范規(guī)定的允許值。

注:本文計算結果已為太原市南中環(huán)高架橋設計復核提供基礎性數據。

［1］汪 浩．魚腹式寬箱梁橫梁計算方法研究［J］．上海公路，2012(4):19-23．

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規(guī)范［S］．