歐定福，鄧喜昌

(1.江蘇省交通技師學(xué)院，廣西　南寧　212006；2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530001)

現(xiàn)澆整體式斜交板梁橋的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)分析

歐定福1，鄧喜昌2

(1.江蘇省交通技師學(xué)院，廣西南寧212006；2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧530001)

歐定福(1982—)，男，工程師，主要從事工程設(shè)計(jì)施工管理工作。

摘要：文章以實(shí)際工程為研究背景，用MIDAS有限元軟件對(duì)整體式斜交板進(jìn)行建模分析，并依據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，從斜交板的受力特征對(duì)支座布置的影響、加載不同的支座約束模擬邊界條件對(duì)支反力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不同影響、斜交板的配筋注意事項(xiàng)和斜交板的受力特點(diǎn)對(duì)橋梁下部墩臺(tái)結(jié)構(gòu)布置產(chǎn)生的影響四個(gè)方面，提出了斜交板橋梁設(shè)計(jì)工作中應(yīng)注意的相關(guān)事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：橋梁；斜交板；MIDAS板單元；受力特性；設(shè)計(jì)；注意事項(xiàng)

0引言

為了適應(yīng)改善道路線形，或者當(dāng)線路受到相交道路、建筑物、地下管線及其他障礙物的限制時(shí)，往往需要修建斜交橋。在某些情況下建造斜橋，不僅能使整個(gè)路線美觀流暢，而且能縮短橋梁長(zhǎng)度，節(jié)省投資和材料，提高經(jīng)濟(jì)效益，因此建造斜橋結(jié)構(gòu)已廣泛存在于高、低等級(jí)公路、城市道路和立交樞紐中[1]。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)規(guī)定：當(dāng)整體式斜板橋的斜交角不大于15°時(shí)，可按正交板計(jì)算，計(jì)算跨徑為：當(dāng)l/b≦1.3時(shí)，按兩支承軸線間垂直距離的正跨徑計(jì)算；當(dāng)l/b>1.3時(shí)，按順橋向縱軸線的斜跨徑計(jì)算[3]。而在大角度的斜交板梁橋的實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，橋梁設(shè)計(jì)人員為了計(jì)算的簡(jiǎn)便性和縮短橋梁設(shè)計(jì)周期，常常忽略斜交角度對(duì)斜交板梁橋的影響而采用同等跨徑的正交板進(jìn)行模擬計(jì)算分析。而斜交板梁橋的受力特點(diǎn)和正交橋有很大的差異性。正交板梁橋的荷載傳遞路徑與板的縱向跨徑相一致，而斜交板梁橋隨著板的斜交角度、寬跨比的增大，荷載有往斜交板鈍角角隅處集中的趨勢(shì)。基于斜交板獨(dú)特的受力性能，斜交板的配筋、支座布置和選取以及其作用荷載對(duì)橋梁下部墩臺(tái)布置的影響等方面是完全不同于正交板梁橋的。

橋梁設(shè)計(jì)人員只有對(duì)斜交板梁橋的受力方式有了清晰的認(rèn)識(shí)和了解后，才能依據(jù)斜交板梁的受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文提出了在斜交板梁橋的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)注意的事項(xiàng)，以期對(duì)橋梁設(shè)計(jì)人員在斜交板梁橋的設(shè)計(jì)工作中有一個(gè)借鑒作用。

1工程概況

本橋上部結(jié)構(gòu)為1x13 m(橋梁路線中心跨徑)現(xiàn)澆整體式鋼筋混凝土斜交簡(jiǎn)支板，橋梁路線平面分別位于圓曲線(R=80 m，左偏)、緩和曲線和圓曲線(R=120 m，右偏)上。本橋現(xiàn)澆板小樁號(hào)側(cè)支撐邊長(zhǎng)為11.65 m(垂直距離)、大樁號(hào)側(cè)支撐邊長(zhǎng)為10.25 m(垂直距離)，現(xiàn)澆板厚度為0.80 m；下部結(jié)構(gòu)墩臺(tái)平行布置。本橋設(shè)計(jì)為雙向兩車道，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，汽車荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。

本橋現(xiàn)澆板平面布置如圖1所示：

圖1　現(xiàn)澆板平面布置圖(單位：cm)

2現(xiàn)澆整體式斜交板的設(shè)計(jì)計(jì)算分析

本橋現(xiàn)澆斜交板路線中心跨徑為13 m、中心寬度為11 m，板的寬跨比接近1∶1，現(xiàn)澆板厚度為80 cm，所以本現(xiàn)澆斜交板符合板的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；同時(shí)本橋現(xiàn)澆斜交板的斜交角度較大(平均斜交角度為50°)、結(jié)構(gòu)尺寸不規(guī)則，用常見(jiàn)的梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算分析難以模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，而板單元能夠很好地解決以上問(wèn)題?；谝陨显?，本橋現(xiàn)澆斜交板利用通用有限元軟件Midas-Civil的板單元進(jìn)行建模設(shè)計(jì)計(jì)算分析。由Midas-Civil建立的本橋板單元計(jì)算模型單元總數(shù)為350個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為390個(gè)，具體模型如下圖2所示。

圖2　板單元計(jì)算模型圖

2.1　斜交板的受力特征對(duì)支座布置的影響

板單元的荷載一般具有向支承邊的最短距離傳遞分配的特點(diǎn)。對(duì)于正向板而言，荷載縱向傳遞的路徑和板的跨徑相一致；而對(duì)于斜交板來(lái)說(shuō)，隨著斜交角度、寬跨比的逐漸增大，主彎矩朝支承邊的垂直方向逐漸偏轉(zhuǎn)。當(dāng)斜交板的寬跨比較大時(shí)，板中央的主彎矩幾乎垂直于支承邊；同時(shí)板的縱向最大彎矩位置，隨著斜交角的增大而從跨中向鈍角部位轉(zhuǎn)移，所以對(duì)于斜交角、寬跨比較大的斜交板而言，板的支承反力分布很不均勻，鈍角角隅處的反力會(huì)比正交板大幾倍，而銳角角隅處的反力較小，甚至?xí)霈F(xiàn)拉力[1](如表1、表2所示)。

基于以上情況可知，斜交板的支座布置和正交板有很大的差異性。對(duì)于正向板而言，應(yīng)適當(dāng)多布置一些支座，支座個(gè)數(shù)越多，不僅每個(gè)支座分得的反力較小，而且也能改變現(xiàn)澆板的受力性能。但對(duì)于斜交板而言，支座的個(gè)數(shù)越多，反力缺集中于鈍角角隅處[2]。為此，斜交角度較大的斜交板布置的支座不宜過(guò)多，支座間距也宜采用不等距布置，鈍角角隅處的支座宜靠近板外側(cè)邊緣布置，銳角角隅處的支座宜靠近內(nèi)側(cè)布置。

表1　自重作用下小樁號(hào)側(cè)板支反力數(shù)值表

表2　自重作用下大樁號(hào)側(cè)板支反力數(shù)值表

2.2　支座邊界模擬約束條件對(duì)支反力的影響

用MIDAS對(duì)斜交板模擬計(jì)算分析的過(guò)程中，支座邊界約束條件不同的加載方式，對(duì)支反力的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響(如表3、表4所示)。在MIDAS分析計(jì)算模型中采用橋梁設(shè)計(jì)人員常用的一般支承條件下的邊界約束條件時(shí)，支反力的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際偏大，當(dāng)依據(jù)此計(jì)算結(jié)果選取支座時(shí)，會(huì)和實(shí)際情況產(chǎn)生一定的偏差，使得現(xiàn)澆板鈍角角隅處的支反力更大，對(duì)板的受力狀況產(chǎn)生更加不利的影響。按照支座的實(shí)際約束剛度把現(xiàn)澆板的支承邊界約束條件加載到MIDAS計(jì)算分析模型中，此種方法是對(duì)斜交板支座邊界約束條件的正確模擬方法，采用該種方法計(jì)算的斜交板支反力與實(shí)際情況比較吻合。對(duì)整體斜交板梁橋應(yīng)優(yōu)先選用厚度較大的板式橡膠支座，通過(guò)支座的豎向彈性剛度來(lái)使各支座反力分配的更加均勻一些[1]。

表3　荷載工況11下支反力計(jì)算數(shù)值表

表4　荷載工況12下支反力計(jì)算數(shù)值表

2.3　斜交板的配筋注意事項(xiàng)

斜交板的最大縱向彎矩隨著斜交角的增大而減小，一般比與斜向跨徑相等的正交板要小，而橫向彎矩則要大很多。在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下本橋的最大縱向彎矩設(shè)計(jì)值為395.4 kn/m，最大橫向彎矩設(shè)計(jì)值為222.3 kn/m，從而可知橫向彎矩設(shè)計(jì)值為縱向彎矩設(shè)計(jì)值的56.2%(本橋的縱、橫向彎矩設(shè)計(jì)值如下頁(yè)圖3、圖4所示)?？梢?jiàn)，斜交板的配筋除了要滿足板的縱向彎矩的要求之外，在板的橫向部位也要配置足夠的受力主筋，同時(shí)為了改善板的整體受力性能，應(yīng)盡量把板的縱向和橫向受力主筋配置成鋼筋骨架。斜交板除了縱橫向的主彎矩之外，在鈍角角隅處還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的垂直于鈍角平分線的負(fù)彎矩，其值隨著斜交角的增大而增大[1]。所以在斜交板鈍角角隅處也應(yīng)配置足夠多抵抗此負(fù)彎矩的主筋，斜交板此部位的受力性能明顯不同于正交板，此點(diǎn)應(yīng)引起橋梁設(shè)計(jì)人員的注意。

圖3　承載能力極限狀態(tài)下板梁縱向彎矩圖

圖4　承載能力極限狀態(tài)下板梁橫向彎矩圖

2.4　斜交板的受力特性對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響

斜交板隨著斜交角度的增大，鈍角角隅處的支反力會(huì)明顯地增大，銳角角隅處的支反力會(huì)明顯地減小，甚至?xí)霈F(xiàn)拉力。斜交板的此種受力特性，也會(huì)對(duì)橋梁的下部墩臺(tái)產(chǎn)生明顯的影響。此種影響會(huì)使得橋梁墩臺(tái)樁基的布置偏向斜交板的鈍角角隅處，使樁基間距的中心線和橋梁墩臺(tái)的中心線不一致，本橋的樁基中心線和墩臺(tái)中心線相差55 cm(如下圖5所示)。這一點(diǎn)和正交板橋梁有明顯的差異性，此點(diǎn)應(yīng)引起橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)人員的注意。

圖5　0#臺(tái)下部構(gòu)造布置圖

3結(jié)論

(1)斜交板鈍角角隅處的支反力隨著斜交板斜交角度、寬跨比的增大而增大，使得斜交板鈍角角隅處的支反力會(huì)比正交板的大幾倍，而銳角角隅處甚至?xí)霈F(xiàn)拉力。根據(jù)斜交板的此種受力特性，斜交板的支座布置和正交板有很大的差異性，斜交板鈍角角隅處的支座應(yīng)向板的外側(cè)布置，銳角角隅處的支座應(yīng)向板的內(nèi)側(cè)布置，同時(shí)支座間距宜采用不等距的布置方式。

(2)在MIDAS斜交板分析計(jì)算模型中采用不同的支座約束模擬邊界條件時(shí)，對(duì)斜交板支反力的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的影響。在MIDAS斜交板分析計(jì)算模型中對(duì)支座的模擬加載應(yīng)采用支座的實(shí)際約束剛度，而不能采用常規(guī)正交板梁橋中一般支承條件下的約束邊界條件，否則計(jì)算的斜交板鈍角角隅處的支反力會(huì)比實(shí)際支反力偏大，假如依據(jù)此計(jì)算結(jié)果選取橋梁支座，會(huì)使得成橋后斜交板的支反力向鈍角角隅處更大地集中，也使得斜交板的成橋受力狀況更加的不利。

(3)對(duì)斜交角、寬跨比較大的斜交板而言，斜交板的橫向彎矩比同等跨徑的正交板大很多，所以在斜交板的橫向跨徑也要配置足夠的主筋。同時(shí)在斜交板的鈍角角隅處還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的垂直于鈍角平分線的負(fù)彎矩，所以在斜交板鈍角角隅部位處也要配置足夠的主筋。

(4)斜交板獨(dú)特的受力性能，使得其對(duì)橋梁墩臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的布置也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。此種影響會(huì)使得斜交板橋梁墩臺(tái)樁基的布置偏向斜交板的鈍角角隅處，使得樁基間距的中心線和橋梁墩臺(tái)的中心線不一致。

參考文獻(xiàn)

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Design Precaution Analysis of Cast-in-place Integral Inclined Plate Girder Bridges

OU Ding-fu1，DENG Xi-chang2

(1.Jiangsu Traffic Technician College，Nanning，Guangxi，212006；2.Guangxi Road and Bridge Engi-neering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530001)

Abstract：With practical engineering as research background，this article used the MIDAS finite element software for the modeling analysis of integral inclined plate，and based on the results of calculation and analysis，it proposed the related precautions in the design work of inclined plate bridge from four aspects，i.e.the impact of force characteristics of inclined plates on the bearing arrangement.Different im-pact caused by loading the different bearing constraints simulation boundary conditions on the support reactions calculation results，bar-reinforcing precautions of inclined plates，and the impact generated by the mechanical characteristics of inclined plates on the pier structure arrangement at lower part of bridges.

Key Words：Bridge；Inclined plate；MIDAS board unit；Mechanical characteristics；Design；Precautions

收稿日期：2015-02-10

文章編號(hào)：1673-4874(2015)02-0045-04

中圖分類號(hào)：U445

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.012

作者簡(jiǎn)介