李文治，曹東國(guó)，王曉軍，張芳途

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 201204）

城市立交拼寬工程中異形板梁的局部受力分析及配筋探討

李文治，曹東國(guó)，王曉軍，張芳途

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 201204）

通過建立實(shí)體仿真模型，對(duì)珠江路立交拼寬項(xiàng)目中一處鋼筋混凝土板梁異形端部進(jìn)行了受力特征分析，并且對(duì)其鋼筋的合理布置形式進(jìn)行了初步探討，以期優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

拼寬；異形；實(shí)體分析

0 引言

隨著城市交通量的迅速增長(zhǎng)，我國(guó)早期修建的許多市政道路都存在擴(kuò)建改造、提高通行能力的需求；與此同時(shí)，對(duì)于不能適應(yīng)現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)臉蛄?，如果全部拆除重建，不僅資金耗費(fèi)巨大，而且在時(shí)間上也不允許。而通過舊橋的加固、拼寬擴(kuò)建，提高其通行能力，不僅可以滿足現(xiàn)代交通需求，還可以節(jié)約時(shí)間、節(jié)約成本，給國(guó)家?guī)砭薮蟮纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

珠江路位于烏魯木齊市老城區(qū)南部地區(qū)，根據(jù)規(guī)劃，珠江路將升級(jí)為城市主干道，成為東西貫通的主要通道。珠江路互通式立交位于河灘路與珠江路交叉處，為定向型部分互通立交（見圖1）。目前，車輛在立交跨線橋上擁堵排隊(duì)、在橋頭違章調(diào)頭等現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn)。為改善本片區(qū)總體交通情況，緩解北側(cè)廣匯立交的交通壓力，需對(duì)珠江路立交進(jìn)行全互通式改造。

圖1 珠江路立交平面布置圖軏（單位：m）

2 工程概況

根據(jù)總體專業(yè)設(shè)計(jì)，在保留原老橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)該立交橋進(jìn)行雙側(cè)拼寬。其中，跨線橋主橋部分采用三跨簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力小箱梁結(jié)構(gòu)（25 m+25 m+ 25 m），拼寬后結(jié)構(gòu)總寬由原22 m變?yōu)?6.5 m；而在東側(cè)上下匝道部分，采用兩跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)心板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼寬，新建拼寬部分為單側(cè)3.2～7.5 m；受現(xiàn)場(chǎng)地形和原橋結(jié)構(gòu)限制，匝道拼寬部分需設(shè)置異形結(jié)構(gòu)及牛腿，并且采用縱向伸縮縫，新老結(jié)構(gòu)互相分離，各自單獨(dú)受力，見圖2～圖4；此處結(jié)構(gòu)異形，受力復(fù)雜，需單獨(dú)分析；本文以L1匝道拼寬結(jié)構(gòu)西側(cè)端部為例，對(duì)異形鋼筋混凝土板梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和鋼筋設(shè)置進(jìn)行探討。

圖2 拼寬結(jié)構(gòu)平面構(gòu)造圖（單位：cm）

圖3 拼寬結(jié)構(gòu)立面構(gòu)造圖（單位：cm）

圖4 拼寬結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：cm）

3 有限元模型

3.1 建立模型

由于此處局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用的桿系模型難以全面真實(shí)的反應(yīng)其受力情況，因此須分別建立該片板梁的整體桿系模型和局部仿真模型進(jìn)行詳細(xì)分析（見圖5、圖6）。

圖5 拼寬結(jié)構(gòu)空間桿系模型

圖6 拼寬結(jié)構(gòu)實(shí)體仿真模型

模型1為整體模型，采用有限元軟件midas civil空間桿系模擬，支座的空間位置和設(shè)計(jì)剛度都按實(shí)際情況進(jìn)行模擬，全橋共計(jì)57個(gè)節(jié)點(diǎn)，32個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

模型2為局部仿真模型，采用有限元midas FEA實(shí)體模型模擬，在距離牛腿一倍高度以外處截?cái)嗳「綦x體，其邊界條件與荷載加載情況與整體模型保持一致，截?cái)嗵幍膬?nèi)力狀態(tài)從模型1提??；模型采用以六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分，共計(jì)4 571個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 427個(gè)單元。

3.2 模型對(duì)比

整體模型和局部模型分別建立好后，可通過同一荷載工況下各個(gè)支座的反力值以及縱橋向關(guān)鍵截面的受力情況對(duì)比分析，互校兩個(gè)模型的準(zhǔn)確性以及發(fā)現(xiàn)各自的特點(diǎn)；此處選取正常使用極限狀態(tài)的短期效應(yīng)組合效應(yīng)對(duì)比分析兩個(gè)模型，組合方式見式（1），實(shí)體仿真模型正應(yīng)力和主應(yīng)力部分結(jié)果見表1、表2及圖7～圖10。

表1 短期組合工況下各支座反力值對(duì)比表 kN

表2 短期組合工況下A-A截面內(nèi)力對(duì)比表

圖7 模型2結(jié)構(gòu)正應(yīng)力云圖

圖8 模型1與模型2正應(yīng)力橫向分布對(duì)比

圖9 模型2結(jié)構(gòu)底部主應(yīng)力方向

圖10 模型2結(jié)構(gòu)主應(yīng)力方向

分析以上圖表可知，在支座反力分布以及關(guān)鍵截面內(nèi)力上，兩個(gè)模型效應(yīng)值基本一致，相差在合理誤差范圍之內(nèi)。

在正應(yīng)力的分布方面，仿真模型能進(jìn)一步反應(yīng)出正應(yīng)力在橫向向的變化情況，以A-A截面下緣拉應(yīng)力為例，模型1只能得出拉應(yīng)力值為2.9 MPa，而模型2則具體反應(yīng)為，在橫橋上由-0.923 MPa逐步變化至4.452 MPa，又漸變?yōu)?.355 MPa，其平均值為2.76 MPa，與模型1接近。

而在主應(yīng)力的分布方面，大致可分為兩類區(qū)域，第一類區(qū)域主應(yīng)力方向與正應(yīng)力方向基本一致，例如結(jié)構(gòu)靠近跨中的截面底部區(qū)域；第二類區(qū)域?yàn)橹鲬?yīng)力斜向分布區(qū)域，例如靠近支點(diǎn)處，截面中部主應(yīng)力在立面上呈大約45°斜向上，以及截面底部主應(yīng)力在平面上指向最近的支座處。

綜上分析可知，局部仿真模型建模正確，并且相比桿系模型更進(jìn)一步全面的反應(yīng)梁端部的實(shí)際受力情況；根據(jù)主應(yīng)力的方向，下文以A-A截面和凹角處34號(hào)單元為例，對(duì)異形結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探討。

4 A-A斷面的鋼筋配置

4.1 局部應(yīng)力分析

從板梁底面最大主應(yīng)力等值云圖可以看出，以I-I連線，可以把隔離體在橫橋上大致劃分為B、C兩個(gè)區(qū)域，B區(qū)域?yàn)樽畈焕麉^(qū)域，主應(yīng)力方向以縱橋向?yàn)橹?，因此以此區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行配筋探討；通過圖11、圖12可發(fā)現(xiàn)，在豎向0.551 m范圍內(nèi)，可將隔離體近似等效為h=0.551 m的軸心受拉構(gòu)件，在此區(qū)域內(nèi)積分，可得軸向拉力；偏安全假設(shè)全部拉應(yīng)力由鋼筋來承擔(dān)，估算配筋量。

圖11 結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖

對(duì)隔離體自底面以上0.551 m范圍內(nèi)（0.551 m× 3.95 m區(qū)域）進(jìn)行積分，得到內(nèi)力為：N基本組合=6 036 kN N短期組合=6 036 kN

圖12 B區(qū)主應(yīng)力沿豎向變化圖

4.2 根據(jù)基本組合估算鋼筋

采用HRB400鋼筋，鋼筋直徑28，單根截面面積615.8 mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fsd=330 MPa估算鋼筋根數(shù)為：

4.3 根據(jù)短期組合估算鋼筋

根據(jù)規(guī)范中裂縫寬度公式[1]，估算鋼筋應(yīng)力；

其中：帶入上式得出：σss=136 MPa

估算鋼筋根數(shù)為：

綜上所述，需至少布置45根HRB400φ28的鋼筋，才能滿足需求；根據(jù)截面尺寸，實(shí)際布置58根（下層間距100 mm，上層間距200 mm）；重新計(jì)算鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度可得：

4.4 鋼筋配置的驗(yàn)證

A-A全截面整體可視為T型鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，可采用D62規(guī)范中受彎構(gòu)件計(jì)算公式進(jìn)行復(fù)核。此時(shí)截面底寬5.85 m，截面高0.9 m，采用相同的鋼筋布置形式（下層間距100 mm，上層間距200 mm，共計(jì)87根φ28）；由上文可知，截面主要由正常使用極限狀態(tài)控制設(shè)計(jì)，因此僅根據(jù)規(guī)范公式對(duì)鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度進(jìn)行復(fù)核；其中：

與上文計(jì)算結(jié)果基本一致，說明上文配筋方法是可行的，且結(jié)果偏于保守。

5 凹角局部受力分析

通過分析模型可知，在板梁端部截面變化處的凹角從，出現(xiàn)局部應(yīng)力過大（基本組合效應(yīng)達(dá)6.2 MPa,見圖13、圖14）；為明確此區(qū)域的受力特點(diǎn)，重新劃分網(wǎng)格后，單獨(dú)將34號(hào)單元取出做三維的詳細(xì)分析。

圖13 結(jié)構(gòu)凹角處應(yīng)力集中位置

圖14 結(jié)構(gòu)凹角處34號(hào)單元

34號(hào)單元尺寸約為300 mm×300 mm×320 mm（縱橋向×橫橋向×豎向），最大主拉應(yīng)力狀態(tài)見表3。凹角處單元配筋情況見圖15。

表3 34號(hào)單元中心處主應(yīng)力狀態(tài)

圖15 凹角處34號(hào)單元配筋情況

為了計(jì)算最大主拉應(yīng)力方向上的拉力，需計(jì)算其作用面積，保守取長(zhǎng)方體外接球的截面積，即：

帶入數(shù)值得A=221 796.4 mm2，因此主拉應(yīng)力：F1=P1×A=666 498.3 N。

通過單元內(nèi)縱向配置的兩層φ28鋼筋（共計(jì)6根）平衡主拉力，則主拉力在X方向上的拉力為: Fx=F1/x=823 854.5 N。

縱向鋼筋的應(yīng)力為：

因此，受力滿足要求。

6 結(jié) 語

鋼筋混凝土板梁施工技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)形式靈活，在拼寬結(jié)構(gòu)中常被用到；而為了適應(yīng)老橋結(jié)構(gòu)或者受到現(xiàn)場(chǎng)條件限制，經(jīng)常需要做成各種異形結(jié)構(gòu)；本文通過分別建立空間梁?jiǎn)卧Ｐ秃蛯?shí)體仿真模型，對(duì)鋼筋混凝土異形板梁的異形部分進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要得出了以下結(jié)論，為同類工程提供了參考。

通過對(duì)比分析，實(shí)體模型和桿系模型在縱向計(jì)算的結(jié)果上基本一致，即互相驗(yàn)證了模型的正確性；在此基礎(chǔ)上，實(shí)體模型能進(jìn)一步反應(yīng)出結(jié)構(gòu)在橫橋向的應(yīng)力分布狀態(tài)，以及在局部凹角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，更全面的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。

通過實(shí)體分析，找到結(jié)構(gòu)不利區(qū)域，根據(jù)其應(yīng)力分布情況，進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，可使鋼筋配置更加合理，改善施工時(shí)由于鋼筋過于密集，導(dǎo)致的綁扎、澆筑、振搗困難等現(xiàn)象；并且通過規(guī)范中計(jì)算公式，對(duì)上述方法進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果是可靠且偏保守的。

在結(jié)構(gòu)的凹角處，常出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象；而由于形狀不規(guī)則，常規(guī)的配筋方法很難實(shí)現(xiàn)；通過實(shí)體分析，對(duì)該區(qū)域的鋼筋配置進(jìn)行了初步探討，可以解決此類問題。

[1]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62-2004,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[S].

U443.32

B

1009-7716（2017）03-0117-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.032

2016-12-12

李文治（1985-），男，河北邯鄲人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。