王 楓

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

互通立交橋選型多種多樣[3]，影響橋型選擇的因素眾多，控制因素主要有：被交路的等級及路基寬度、交叉跨越處的地質(zhì)地形條件、跨線橋的設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)保綠化要求等。高速公路互通式立體交叉跨線橋橋型確定后，其結(jié)構(gòu)計算是關(guān)鍵。

本文以山西省龍城高速公路增設(shè)龍湖互通立交工程為背景，通過建立荷載結(jié)構(gòu)模型，對該工程設(shè)置的A匝（30+45+30）m[4]現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨線橋上部結(jié)構(gòu)進行計算分析，得出連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的受力特性[5]，并由計算結(jié)果優(yōu)化了設(shè)計方案，為日后類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

龍城高速公路，即山西省榆次龍白至祁縣城趙高速公路，是山西省高速公路網(wǎng)中晉中環(huán)線的重要組成部分。路線全長71.588 km，采用雙向六車道瀝青混凝土路面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度100 km/h，路基寬度33.5 m，全線共設(shè)置3處樞紐式互通，3處一般式互通，一處服務(wù)區(qū)及榆次、太谷兩處一級公路連接線。

本次設(shè)計增設(shè)的龍湖互通位于龍城高速公路主線K5+684.195處，北距龍白樞紐5.735 km，南距晉中東互通5.725 km，龍湖互通采用單喇叭A型互通型式?；ネǚ秶鷥?nèi)主線路基寬度33.5 m，最小平曲線半徑R=3653.05 m，最大縱坡3.3%，互通內(nèi)單向單車道匝道路基寬度為9.0 m，對向雙車道匝道路基寬度為16.5 m。

龍湖互通A匝跨線橋中心樁號為AK0+205.5，右前夾角為90°，橋梁全長為111.4 m，上部結(jié)構(gòu)采用（30+45+30）m單箱雙室現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，橋面全寬為16.5 m：0.5 m防撞護欄+7.45 m行車道+0.6 m中護欄+7.45 m行車道+0.5 m防撞護欄，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2g。A匝跨線橋與龍城高速公路主線夾角為91°，橋下凈高為6.475 m，交叉處龍城高速公路橫斷面形式為挖方路塹，橋梁1號墩、2號墩位于龍城高速公路兩側(cè)，1號墩中心距龍城高速公路路基邊緣最小距離為3.42 m，2號墩中心距龍城高速公路路基邊緣最小距離為3.74 m。

圖1 橋型布置圖

橋址位于黃土丘陵區(qū)，微地貌為黃土緩坡，地表覆蓋Q3坡洪積黃土。橋址地層主要由第四系上更新統(tǒng)Q3坡洪積物、中更新統(tǒng)Q2沖洪積物、上第三系上新統(tǒng)N2沖洪積物組成。

2 箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

龍湖互通A匝跨線橋上部結(jié)構(gòu)為三跨一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，孔跨布設(shè)形式為（30+45+30）m。箱梁采用單箱雙室截面[6]，構(gòu)造見圖2。箱梁高度為2.3 m，單箱頂寬16.5 m，底寬11.5 m，兩側(cè)懸臂長2.5 m，懸臂端部厚為18 cm，根部厚為50 cm。底板厚度為25（跨中）～45 cm（端部），頂板厚度為28（跨中）～48 cm（端部），腹板厚度為 50（跨中）～90 cm（端部），均按線性變化。箱梁底板水平，通過調(diào)整箱梁頂板橫坡實現(xiàn)超高的過渡，箱梁底板支撐處增設(shè)楔形塊以調(diào)整橫坡[7]。每個腹板布置通長的8束15-22的高強度低松弛鋼絞線，兩端張拉。上部結(jié)構(gòu)主要材料用量指標(biāo)見表1。

表1 箱梁上部結(jié)構(gòu)主要材料指標(biāo)表

圖2 跨中及支點橫斷面

3 有限元數(shù)值分析計算

3.1 縱梁有限元模型概況

針對本橋上部箱梁結(jié)構(gòu)，按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進行抗裂設(shè)計。結(jié)構(gòu)計算依據(jù)平面桿系假定，采用Midas Civil有限元程序建立數(shù)值模型進行分析計算。模型共有58個單元，63個節(jié)點，網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 有限元模型及網(wǎng)格劃分

3.2 模型計算參數(shù)

a）混凝土重度 γ=26.0 kN/m3，彈性模量 Ec=3.45×104MPa，熱膨脹系數(shù)為 1×10-5/℃，泊松比為0.2；

b）瀝青混凝土重度 γ=24.0 kN/m3；

c）HPB400級鋼彈性模量Es=2.0×105MPa；

d）15-22預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fpk=1395 MPa；彈性模量 Es=2.0×105MPa；錨具變形及鋼束回縮值為每側(cè)6 mm，預(yù)應(yīng)力筋松弛系數(shù)為0.3；e）管道摩擦系數(shù) μ=0.17，管道偏差系數(shù)k=0.0015 m-1。

3.3 荷載及荷載組合

a）恒載 主梁一期恒載按主梁實際重量計算，橫梁以集中荷載施加[8]，二期恒載考慮橋面鋪裝和護欄自重。

b）基礎(chǔ)不均勻沉降 墩、臺均按5 mm考慮，并考慮各種沉降組合。

c）活載 公路-I級，根據(jù)橋面寬度按雙向四車道布載，橫向折減系數(shù)0.67，考慮橫向偏載系數(shù)1.15。d）溫度作用依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》計算。e）收縮徐變作用根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》相應(yīng)取值及計算。

f）荷載組合按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》選取。

3.4 承載能力極限狀態(tài)強度驗算

經(jīng)數(shù)值計算并依據(jù)公橋規(guī)第5.1.5條，由圖4可知箱梁的彎矩在橋梁中心樁號處近似對稱，最大的正彎矩位于中心樁號處，最大正彎矩為142213.31 kN·m，小于截面抗力167650.56 kN·m；最大負彎矩位于臨近1、2號墩處，最大負彎矩為61568.60 kN·m，小于截面抗力125113.34 kN·m，故主梁各個截面的抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

由圖5可知，箱梁的剪力圖在橋梁中心樁號處呈反對稱，最大的剪力為13874.67 kN，小于截面抗力23616.40 kN，故主梁各個截面的抗剪承載能力滿足規(guī)范要求。

圖4 抗彎承載能力與彎矩包絡(luò)圖（單位:kN·m）

圖5 抗剪承載能力與剪力包絡(luò)圖（單位:kN）

3.5 正常使用極限狀態(tài)強度驗算

依據(jù)公橋規(guī)第6.1.2條主梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件需進行全預(yù)應(yīng)力抗裂設(shè)計。

3.5.1 正截面抗裂驗算

主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件依據(jù)公橋規(guī)第6.3.1-2條進行正截面抗裂驗算[9]。短期效應(yīng)組合下要求σst-0.80σpc≤0，即正截面不產(chǎn)生拉應(yīng)力，由圖6可知，正截面全部受壓，不產(chǎn)生拉應(yīng)力，短期效應(yīng)組合下正截面抗裂滿足規(guī)范要求。

圖6 短期效應(yīng)組合混凝土正截面抗裂驗算

3.5.2 斜截面抗裂驗算

全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件依據(jù)公橋規(guī)第6.3.1-6條進行斜截面抗裂驗算。短期效應(yīng)組合下要求σtp≤0.40ftk，即斜截面主拉應(yīng)力不超過 0.40ftk=0.4×2.65=1.06 MPa，由圖7可知，最大主拉應(yīng)力1.01 MPa，短期效應(yīng)組合下斜截面抗裂滿足規(guī)范要求。

圖7 短期效應(yīng)組合混凝土斜截面抗裂驗算

3.5.3 撓度驗算

經(jīng)計算作用短期效應(yīng)組合下，邊跨最大位移5 mm，中跨最大位移8 mm。由公橋規(guī)第6.5.3條內(nèi)插值得到撓度長期影響系數(shù)ηθ=1.425，故考慮長期效應(yīng)影響時邊跨撓度為1.425×5=7.125 mm＜l/600=50 mm；中跨撓度為 1.425×8=11.4 mm＜l/600=75 mm，中跨、邊跨撓度均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

以山西省龍城高速公路龍湖互通A匝跨線橋為背景，通過建立Midas Civil荷載結(jié)構(gòu)模型，對該互通設(shè)置的（30+45+30）m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨線橋上部結(jié)構(gòu)進行計算，取得了以下結(jié)論和認識：

a）由計算結(jié)果可知，現(xiàn)澆箱梁承載能力極限狀態(tài)抗彎承載力、抗剪承載力以及正常使用極限狀態(tài)的抗裂驗算、變形撓度指標(biāo)均滿足公橋規(guī)規(guī)定的允許值。

b）針對該橋的力學(xué)特性，本橋在設(shè)計階段采用了不設(shè)置頂?shù)装邃撌⒍枕斁植考訌姸淌?，而只設(shè)置腹板通長束的配束設(shè)計方案，經(jīng)驗算分析，這種配束的方式雖導(dǎo)致現(xiàn)澆箱梁部分截面應(yīng)力較大，但相應(yīng)指標(biāo)均滿足公橋規(guī)要求，且安全度較大，同時這種配束方案施工時只需在腹板兩端張拉，方便施工降低了施工難度。