唐軍斌
(柳州市市政設(shè)計(jì)科學(xué)研究院,廣西 柳州 545006)
城市立交橋是一種現(xiàn)代化橋梁工程,以多層道路在三維空間上形成立體交叉為基本特征。為滿足交通需求及提升城市景觀,城市立交橋的設(shè)計(jì)與建設(shè)需在符合相應(yīng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,力求行車舒適、線型流暢、外形美觀。在主線與匝道、匝道與匝道連接段,常需設(shè)置幾何不規(guī)則的異型結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)具有整體性好、適應(yīng)性強(qiáng)、外形美觀等特征,使得其在異型結(jié)構(gòu)上得到廣泛的應(yīng)用。
有別于常規(guī)梁式箱梁,異型箱梁空間受力較為復(fù)雜,彎扭耦合作用明顯,存在翹曲與扭轉(zhuǎn)的雙力矩效應(yīng)[1]。常規(guī)的單梁分析法已無法準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與應(yīng)力,需采用有效的三維空間模型進(jìn)行受力分析。隨著計(jì)算理論與計(jì)算軟件的不斷完善,空間梁格法、薄壁箱梁法、三維實(shí)體單元法等有限元分析方法應(yīng)運(yùn)而生。
柳州市白沙大橋西岸引道立交作為潭中半島中北部交通樞紐,承擔(dān)著串聯(lián)河?xùn)|片區(qū)、潭中半島以及白露片區(qū)等3個(gè)重要區(qū)域高交通量、高中轉(zhuǎn)量的交通任務(wù)。本工程共分為引道主線、躍進(jìn)路改造段及白沙路改造段3個(gè)主體部分。其中引道主線包括白沙大橋西岸引道-躍進(jìn)路及白沙大橋西岸引道-白沙路2個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)立交。立交區(qū)內(nèi)共設(shè)橋梁10座,其中主線橋1座(長170.1 m),閉合環(huán)道橋(圓盤)1座(長266.721 m),匝道橋8座(總長1 124.2 m)。
立交橋Y匝道與J匝道連接段為分衩結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)采用3×20.2 m鋼筋混凝土變寬連續(xù)箱梁橋。橋?qū)挒?.4~16.2 m,箱室數(shù)量由2個(gè)過渡為3個(gè),為異型空間結(jié)構(gòu)。箱梁梁高1.6 m,懸臂長2 m,頂、底板厚分別為0.25 m、0.22 m,腹板厚度由0.4 m過渡至0.6 m,采用C45鋼筋混凝土。
箱梁平面布置圖、箱梁斷面布置圖見圖1、圖2。
圖1 箱梁平面布置圖(單位:cm)
圖2 箱梁斷面布置圖(單位:cm)
對于單箱多室梁橋的空間有限元分析,在橋梁設(shè)計(jì)工作中較為簡便、高效且滿足工程計(jì)算精度的方法主要有空間單梁法、薄壁箱梁法、空間梁格法和三維實(shí)體單元法[2]。這4種有限元分析方法比較見表1。
表1 有限元分析方法比較表
由表1可知,空間梁格法可有效地計(jì)算異型箱梁的空間受力,建模簡便的同時(shí)可達(dá)到工程上允許的精度,較其他方法有較好的優(yōu)越性。
萊特福和紹柯最先提出橋梁上部結(jié)構(gòu)梁格計(jì)算法的原理,后來形成了以英國學(xué)者漢勃利為代表的剪力-柔性梁格法。其基本原理是將上部結(jié)構(gòu)用梁格等效,假定上部結(jié)構(gòu)某區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi),實(shí)際結(jié)構(gòu)縱/橫向剛度分別集中于縱/橫向梁格構(gòu)件內(nèi)[3]。等效的原則為在承受相同的荷載情況下,梁格模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)具有相同的撓曲,彎、剪、扭等內(nèi)力等于該梁格所代表的實(shí)際構(gòu)件部分內(nèi)力。本方案較適用于分格式上部結(jié)構(gòu),對多箱室箱型截面,當(dāng)剪力多由腹板承受且橫梁剛度較小時(shí),有較好的工程意義。
劃分梁格模型的正確與否,影響結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性?;谄溆?jì)算原理,梁格劃分可采用以下原則[4]:(1)縱橫梁重合于實(shí)際受力位置;(2)縱橫向梁格間距小于有效跨徑的1/4,截面突變處則減小間距,且縱橫梁間距宜相近;(3)斜交角度小于20°的簡支上部結(jié)構(gòu),可采用直交梁格分析,而連續(xù)梁及斜交角度較大時(shí)需要按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模;(4)縱橫梁宜構(gòu)成直角,斜交方向受力時(shí)可按實(shí)際角度建模;(5)梁格劃分應(yīng)使各分部截面形心軸位置與總體截面位置相一致。
根據(jù)本工程實(shí)際結(jié)構(gòu),采用Midas/Civil軟件進(jìn)行建模分析。全橋結(jié)構(gòu)離散時(shí),綜合考慮跨徑、頂?shù)装寮案拱寮雍?、斷面布置及精?xì)化要求,縱向1~1.5 m劃分1個(gè)單元,橫向單元寬度為該節(jié)點(diǎn)所代表的前后縱向單位寬度的一半之和。合計(jì)劃分為395個(gè)節(jié)點(diǎn),487個(gè)單元。分為4條縱梁,7條實(shí)際橫梁,以及若干虛擬橫梁。結(jié)構(gòu)離散模型及三維模型見圖3、圖4。
圖3 結(jié)構(gòu)離散模型
圖4 結(jié)構(gòu)三維模型
根據(jù)橋梁實(shí)際靜力荷載工況,結(jié)構(gòu)考慮以下受力狀態(tài):(1)自重;(2)二期恒載(橋面系部分);(3)溫度荷載(系統(tǒng)溫度+溫度梯度);(4)支座沉降(-5 mm);(5)收縮徐變;(6)移動(dòng)荷載(城 -A 級車道荷載)。由于每個(gè)梁格單元縱橫向?qū)挾鹊牟町愋?,要精?xì)地加載橋面系二期恒載,工作量龐大,對于設(shè)計(jì)工作而言效率較低。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),將二期恒載折算為相應(yīng)梁格單元的自重,采用提高自重系數(shù)的方式進(jìn)行加載。對于移動(dòng)荷載,車道荷載加載在橫向聯(lián)系梁上。由于橋梁過渡段車道數(shù)為變化值,需考慮不同車道布置下的活載效應(yīng),取最不利值。
對結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算,提取關(guān)鍵截面支點(diǎn)、跨中、1/4跨處抗彎、抗剪及裂縫驗(yàn)算結(jié)果,如圖5~圖7(圖中L均為跨長)所示。
圖5 關(guān)鍵截面抗彎驗(yàn)算表(Mn為抗力值;rMu為內(nèi)力值)
如圖5~圖7所示,結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪及裂縫驗(yàn)算均符合《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)中要求:最不利組合下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力均小于結(jié)構(gòu)抗力,裂縫計(jì)算值均小于0.2 mm限值。
圖6 關(guān)鍵截面抗剪驗(yàn)算表(vn為抗力值;rVd為內(nèi)力值)
圖7 關(guān)鍵截面裂縫驗(yàn)算表(W-tk為裂縫值;W-AC為限值)
綜合上述分析結(jié)果可知,由于彎扭耦合作用的影響,同時(shí)因構(gòu)件不對稱造成的縱梁計(jì)算長度不同,異型箱梁在荷載作用下,各腹板縱梁受力狀態(tài)差異較大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需針對各腹板進(jìn)行差異化處理,避免各腹板采用相同配筋布置的“一刀切”設(shè)計(jì)理念,力求安全、經(jīng)濟(jì)。
(1)由于采用的是實(shí)際橫梁結(jié)構(gòu),可獲得較為真實(shí)的橫梁受力狀態(tài)。相比單獨(dú)進(jìn)行橫梁計(jì)算的方式更符合實(shí)際。
(2)異型箱梁在箱室數(shù)量變化處存在相交腹板時(shí),受力較為復(fù)雜,梁格法尚不能精確計(jì)算,需結(jié)合三維實(shí)體單元進(jìn)行分析。
(3)梁截面溫度梯度引起的次內(nèi)力較大,鑒于縱橫向梁格單元尺寸的不均勻性,加載溫度梯度荷載時(shí)需根據(jù)單元橫向?qū)挾戎鹨辉O(shè)置,以保障內(nèi)力計(jì)算的準(zhǔn)確性。
(4)由于車道數(shù)目非恒定值,橋面布置車道荷載時(shí),宜根據(jù)不同跨間車道實(shí)際數(shù)量進(jìn)行分區(qū)段加載,以求得最真實(shí)的活載效應(yīng)。