李子特，薄士威

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州730010）

1 概述

斜腿剛構(gòu)橋是漂亮的橋型結(jié)構(gòu)之一。斜腿剛構(gòu)橋由呈水平向的梁式構(gòu)件和斜向支承構(gòu)件，因而在力學(xué)行為上兼具梁式剛架特性和拱的特性，梁式構(gòu)件受彎并按剛度比例分配其值大小，拱式構(gòu)件為偏心受壓，且在橋型構(gòu)件的組成上使受力較大的區(qū)域(跨中附近)產(chǎn)生壓力使構(gòu)件偏心受壓，而在其受力較小的區(qū)域(近端部)讓其純彎。這樣則合理地解決了橋梁構(gòu)件中受力不均勻問題,可使橋梁各組成構(gòu)件變得勻稱。同時，整個橋梁上下部各構(gòu)件相互固結(jié)形成堅固幾何形態(tài)的整體結(jié)構(gòu),共同受力抵抗外荷載。因此，橋梁整體性和剛度均得到提高，并大大削弱了組成構(gòu)件的內(nèi)力峰值而使構(gòu)件受力較小，這使各構(gòu)件的體量和尺度變得輕巧和纖細(xì)。所以，這類橋梁從力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性上遠(yuǎn)較傳統(tǒng)的單梁式和單拱式結(jié)構(gòu)為優(yōu)[2]。

上跨高速公路的天橋因不宜在中央分隔帶設(shè)置橋墩，往往需要1孔橋梁跨越，為減少橋梁長度而配置小邊孔，斜腿剛構(gòu)橋的跨越功能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢就顯得更加明顯。同時對于減少高速公路行車視線障礙，防止天橋結(jié)構(gòu)受高速汽車撞擊，提高公路行車安全具有重要意義。

2 橋型概況

某上跨高速公路天橋采用了斜腿剛構(gòu)形式，橋孔布設(shè)為(9.25+24.5+9.25)m，上部采用板式梁結(jié)構(gòu)，截面高度為0.7m；斜腿采用0.7m矩形截面，與主梁夾角為45度；下部結(jié)構(gòu)采用肋板臺，斜腿支撐于肋板和承臺處，橋面寬度為5.5m，上部梁與斜腿等構(gòu)件均采用C30鋼筋混凝土，如圖1所示。

圖1 斜腿剛構(gòu)橋天橋橋型布置圖

3 計算荷載及荷載組合

結(jié)構(gòu)恒載：自重、二期鋪裝、混凝土收縮及徐變。

移動荷載：公路-Ⅱ級；汽車荷載沖擊系數(shù)通過有限元模型進(jìn)行特征值分析求得結(jié)構(gòu)基頻f=2.47Hz，依據(jù)相關(guān)規(guī)范求得沖擊系數(shù)μ=0.144。

人群荷載：3.0kn/m2。

溫度荷載：主梁整體升、降溫均按20℃計算，同時考慮橋面板日照溫差引起的溫度梯度荷載，斜腿構(gòu)件內(nèi)外溫差按10℃計算。

基礎(chǔ)不均勻沉降：橋臺端按5mm沉降計算。

風(fēng)荷載計算：按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》，求得靜陣風(fēng)荷載QH=3.68kn/m，作用在主梁側(cè)面。

荷載組合：按規(guī)范進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)及彈性階段應(yīng)力驗算的各項組合，相應(yīng)進(jìn)行了基本效應(yīng)組合、作用短期效應(yīng)組合和作用長期效應(yīng)組合[4]。

4 主要計算結(jié)果及分析

采用MIDAS/Civil建立了三維空間有限元模型，將全橋結(jié)構(gòu)離散為76個單元、81個節(jié)點。斜腿底部采用固定約束，并引入壓彎構(gòu)件計算長度系數(shù)，與橋臺搭接處采用雙向活動支座，如圖2所示。

圖2 斜腿剛構(gòu)橋有限元模型

通過對斜腿及斜腿間主梁進(jìn)行屈曲分析，求得壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，如圖3，4所示，再通過歐拉臨界公式：

求得計算長度系數(shù)分別為6.0、14.4。

圖3 斜腿一階屈曲圖

圖4 斜腿間主梁一階屈曲圖

5 主要計算結(jié)果及分析

根據(jù)斜腿剛構(gòu)天橋受力特點，斜腿及斜腿間主梁按壓彎構(gòu)件驗算，其余主梁按一般受彎構(gòu)件驗算[5]，如圖5所示。

（1）一般受彎主梁正截面抗彎承載能力驗算。

矩形截面或翼緣位于受拉邊的T形截面受彎構(gòu)件，其截面抗彎承載力應(yīng)符合：

圖5 承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)主彎矩包絡(luò)圖

通過計算，第1、3跨跨中最大正彎矩為935kn·m＜6150kn·m，臨斜腿處最大負(fù)彎矩為 5090kn·m＜12110kn·m，滿足承載力要求。

（2）一般受彎主梁斜截面抗剪承載能力驗算。

矩形、T形和I型截面的受彎構(gòu)件，當(dāng)配置箍筋和彎起鋼筋時，其斜截面抗剪承載力計算應(yīng)符合下列規(guī)定：

圖6 承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)主剪力包絡(luò)圖

通過計算，第1、3跨臨斜腿處最大剪力為1408 kn＜5335kn，滿足承載力要求。

（3）一般受彎主梁斜截面抗彎承載能力驗算。

一般受彎主梁縱向鋼筋和箍筋符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D3362-2018）第 9.1.4條、第 9.3.9條第 9.3.13條的構(gòu)造要求，故可不進(jìn)行斜截面抗彎承載力計算。

（4）壓彎構(gòu)件承載能力驗算。

考慮風(fēng)荷載作用，斜腿和斜腿間主梁按具有兩個相互垂直對稱軸的鋼筋混凝土雙向偏心受壓構(gòu)件承載力驗算，取斜腿和斜腿間主梁最不利截面進(jìn)行配筋驗算。

斜腿最不利截面-根部截面計算壓力為2176.0 kn＜22419.22kn，承載力富裕比例為11%；斜腿間主梁y方向壓彎最不利截面-根部截面計算壓力為3254.60kn＜3661.30kn，承載力富裕比例為12%；斜腿間主梁-Z方向壓彎最不利截面-跨中截面根部截面計算壓力為3254.60kn＜4409.68kn，承載力富裕比例為35%；雙向受壓驗算滿足要求。

（5）裂縫寬度驗算。

矩形、T形和I形截面鋼筋混凝土構(gòu)件及B類預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，其最大裂縫寬度按下式計算[6]：

最不利截面為斜腿根部、斜腿間主梁根部、斜腿間主梁跨中截面，裂縫寬度計算值分別為0.176、0.140、0.108，均小于 0.2mm，滿足驗算要求。

（6）撓度計算及預(yù)拱度設(shè)置。

撓度計算時，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的剛度可按下式計算：

表1 撓度計算表

根據(jù)《預(yù)規(guī)》第6.5.5條規(guī)定：當(dāng)由荷載短期效應(yīng)組合并考慮荷載長期效應(yīng)影響產(chǎn)生的長期撓度不超過計算跨徑的1/1600時可不設(shè)預(yù)拱度；當(dāng)不符合上述規(guī)定時應(yīng)設(shè)預(yù)拱度，且其值應(yīng)按結(jié)構(gòu)自重和1/2可變荷載頻遇值計算的長期撓度值之和采用[7]。

本橋第二跨跨中由荷載短期效應(yīng)并考慮長期效應(yīng)影響產(chǎn)生的長期撓度為67.7mm>1/1600=15.3mm，故需設(shè)置結(jié)構(gòu)恒載+1/2可變荷載頻遇值計算的長期撓度值之和為67.7mm的預(yù)拱度。

（7）鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面壓應(yīng)力計算。

短暫狀況受彎構(gòu)件正截面壓應(yīng)力應(yīng)滿足以下要求：

第2跨跨中截面最大壓應(yīng)力為6.44Mpa＜12.86 Mpa，滿足驗算要求。

（8）鋼筋混凝土受彎構(gòu)件中性軸處的主拉應(yīng)力計算

臨斜腿處主梁中性軸最大拉應(yīng)力為0.63MPa＜1.61MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為 38.3MPa＜255.2MPa，滿足驗算要求。

6 結(jié)論

通過建立斜腿剛構(gòu)橋空間有限元模型并考慮風(fēng)荷載作用計算其內(nèi)力，根據(jù)斜腿剛構(gòu)橋受力特點，斜腿及斜腿間主梁按壓彎構(gòu)件驗算，其余主梁按一般受彎構(gòu)件驗算。主要驗算結(jié)論如下：一般受彎主梁正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力、斜截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求；斜腿及斜腿間主梁雙向偏心受壓承載力滿足規(guī)范要求；一般受彎主梁、斜腿及斜腿間主梁縫寬度小于0.2mm，滿足驗算要求；斜腿鋼構(gòu)橋在汽車荷載下的跨中撓度，滿足規(guī)范要求，設(shè)置預(yù)拱度滿足規(guī)范要求；一般受彎主梁正截面壓應(yīng)力和中性軸處的主拉應(yīng)力及受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

斜腿剛構(gòu)橋具有較大的跨越能力及較高的承載能力，特別是對中跨梁段能提供軸力，因而梁的截面尺寸相對較小，混凝土、預(yù)應(yīng)力材料用量較低，結(jié)構(gòu)輕巧，在高速公路跨線橋中具有較大的橋型方案優(yōu)勢。