張海龍
(深圳市市政設計研究院有限公司,廣東 深圳 518000)
匝道橋梁是城市立交的重要組成部分。由于其特殊的結構形式,匝道橋上部結構的靜、動力特性與傳統(tǒng)直梁橋不同[1-3]。橫梁是匝道橋的重要傳力構件。通常情況下,主梁將所有荷載通過剪力的形式傳遞給橫梁,橫梁將所受荷載傳遞給支座。但是當建設環(huán)境受限時,某些情況下匝道橋必須設置異形橫梁。異形橫梁的支座不再位于主梁底部,而是位于距主梁的兩側一段距離,橫梁承受彎曲-剪切耦合效應明顯,主梁與橫梁結合處應力集中問題突出,橫梁剛度與主梁動力特性存在耦合效益。由此可見,異形橫梁的受力方式較普通橫梁有較大差異。因此,有必要采用精細化的實體模型進行異形橫梁的靜、動力分析,從而為該種結構的設計提供依據(jù)。
合肥市某工程B匝道橋第二聯(lián),見圖1,平面位于圓曲線上,圓曲線半徑R=170m。上部結構為P C連續(xù)箱梁,共3跨,為3×30m。橋面布置為:0.5m(護欄)+7.5m(車行道)+0.5m(護欄)=8.5m,橋面橫坡為2%的單向橫坡,主梁和橫梁混凝土采用C50。橋墩為圓形橋墩,受到橋下道路位置影響,B04橋墩處采用異形橫梁。
圖1 匝道橋平面(單位:cm)
采用ABAQUS對主橋上部結構進行空間有限元分析。預應力混凝土箱梁采用117 284個C3D4實體單元模擬,預應力鋼束用2 888個T2D2單元模擬,采用節(jié)點耦合法模擬預應力鋼束與混凝土箱梁的相互作用。使用“降溫法”賦予預應力束的初應變來模擬預應力效應[4]。幾何模型及有限元模型見圖2。
圖2 具有異形橫梁的實橋分析模型
車道荷載的集中力作用于橫梁,均布荷載作用于橫梁兩側的跨徑,并綜合考慮支座沉降、溫度、混凝土收縮的最不利組合作用。橫梁應力分析結果見圖3。圖3(a)為橫梁結合部正應力分布云圖。其中橫梁的最不利截面上全截面受壓,最大壓應力為8.78MPa,最小壓應力為2.19MPa,不發(fā)生正截面開裂。圖3(b)為橫梁結合部主拉應力分布云圖。其中最大主拉應力為1.28MPa,位于橫梁與主梁的交界面附近,略高于規(guī)范值。此處為主梁傳遞給橫梁的剪力產(chǎn)生的效果,建議加強橫梁與主梁結合部的箍筋配置。圖3(c)為橫梁主壓應力分布云圖。其中最大值為12.7MPa,位于主梁翼緣板邊緣與橫梁交界處,此處為應力集中區(qū)域。設計中建議增設倒角緩解應力集中。
圖3 橫梁應力分析(單位:Pa)
主梁應力分析采用的荷載效應與橫梁應力分析相同。圖4(a)為主梁結合段的正應力云圖。計算分析表明,在與橫梁結合段的主梁全截面受壓,其負彎矩區(qū)域的截面未消壓,其最小壓應力數(shù)值為0.20MPa,混凝土不會開裂。圖4(b)為主梁結合段主拉應力云圖,最大拉應力為1.23MPa,略高于規(guī)范限值,建議增加配筋。圖4(c)為主梁結合段主壓應力云圖,最大主壓應力為12.6MPa,符合規(guī)范要求。圖4(d)為結合段預應力鋼絞線應力。預應力鋼筋的最大拉應力為1 013MPa,滿足規(guī)范要求。
圖4 主梁應力分析(單位:Pa)
圖5 宿松路橋上部結構的動力性能
從圖5可知,異形橫梁對主梁的二階和四階振型產(chǎn)生影響較大。異形橫梁在一階振型只產(chǎn)生整體扭轉,不產(chǎn)生彎曲,這與普通橫梁的變形方式相同,可以認為異形橫梁對一階振型不產(chǎn)生影響,而影響橋梁動力性能的主要是一階振型,所以說,異形橫梁對橋梁的動力性能不產(chǎn)生影響。計算結果表明,該橋的豎向振動基頻為5.45 H z。沖擊系數(shù)為:滋=0.1767 l n5.45-0.0157=0.283。
(1)采用異形橫梁的預應力混凝土箱梁橋各項驗算基本滿足規(guī)范要求。
(2)建議在主梁翼緣與橫梁之間設置倒角,以削弱應力集中現(xiàn)象。
(3)異形橫梁不影響主梁的一階振型,但對主梁的二階和四階振型產(chǎn)生影響,異形橫梁對沖擊系數(shù)值不構成影響。