唐 楊，任 榮，王大為，鐘華棟

(1.五峰土家族自治縣農(nóng)村公路管理所，湖北 宜昌 443413；2.五峰土家族自治縣交通運(yùn)輸局公路造價(jià)質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 宜昌 443413；3.溫州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 溫州 325000；4.中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

在公路路線規(guī)劃過程中，大多數(shù)中、小跨徑橋梁必須服從路線的走向，因而產(chǎn)生了很多小跨徑的斜交橋。斜交橋常常出現(xiàn)銳角支座脫空、鈍角主梁開裂、平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)等病害，其空間受力特征較為明顯[1-4]，引起了不少專家和工程技術(shù)人員的關(guān)注。何愛平[5]以陜西省某簡支實(shí)心板梁橋?yàn)槔ㄟ^Midas建立三維有限元模型，對(duì)比不同斜交角度下實(shí)心板梁橋的力學(xué)響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)：斜交角度越大簡支實(shí)心板梁橋鈍角位置受力越大的效應(yīng)越明顯。李達(dá)文[6]采用Midas建立某斜交實(shí)心板橋的板單元空間有限元模型，研究結(jié)果表明：鈍角處的支座反力較大，銳角處的支座反力較小，在活載偏載作用下，銳角處可能造成支座脫空，甚至引起橋面板側(cè)翻。劉建達(dá)[7]通過研究斜交實(shí)心板橋的受力也得到了相似的研究成果：在均布荷載作用下，平行于鈍角角平分線方向會(huì)產(chǎn)生較大的正彎矩，垂直于鈍角角平分線方向會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩。歐定福等[8]采用Midas對(duì)斜交實(shí)心板橋進(jìn)行數(shù)值分析后發(fā)現(xiàn)：斜交實(shí)心板鈍角角隅位置的支反力隨著寬跨比的增大而增大，可以達(dá)到正交實(shí)心板橋的數(shù)倍，銳角角隅位置可能出現(xiàn)拉力；斜交實(shí)心板橋支座的模擬應(yīng)采用實(shí)際剛度，采用一般支承會(huì)造成反力過大；對(duì)于斜交角、寬跨比較大的斜交實(shí)心板橋，橫向彎矩比同等跨徑的正交實(shí)心板橋要大很多。馬伯如[9]對(duì)比分析了目前斜交實(shí)心板橋設(shè)計(jì)計(jì)算分析中的三種方法，即平面桿系法、平面梁格法和板、殼單元法，提倡使用板、殼有限元法計(jì)算分析斜交實(shí)心板橋的受力特性，主要原因是板、殼有限元法避免了大量人為因素的誤差，同時(shí)建模也不太復(fù)雜。孫朝輝[10]以某斜交實(shí)心板橋?yàn)槔?，?jīng)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：斜交實(shí)心板橋的支座反力與支座剛度存在較大關(guān)聯(lián)，支座剛度越大其支座反力越大。

目前，針對(duì)橋面系對(duì)斜交實(shí)心板橋受力性能影響的研究較少，論文以湖北省五峰縣境內(nèi)的某座斜交實(shí)心板橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究橋面系?duì)斜交實(shí)心板橋受力性能的影響。

1 工程概況與分析思路

1.1 工程概況

湖北省五峰縣境內(nèi)某座斜交實(shí)心板連續(xù)梁橋的跨徑組合為2×6 m，兩側(cè)伸縮縫寬2 cm，實(shí)心板長11.96 m，斜交角30°，采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支座采用油毛氈支座，橋臺(tái)支座的寬度為64.95 cm，中間橋墩的支座寬度為100 cm。斜交橋的截面形式為實(shí)心板，橋面寬6.5 m(0.5 m防撞墻+5.5 m行車道+0.5 m防撞墻)，底面寬6.0 m，兩側(cè)懸臂各0.25 m。橋面橫坡為雙向1.5%，橋面板厚32～37 cm，橋面鋪裝厚12 cm。橋面板采用C40混凝土，橋面鋪裝采用C40防水混凝土，防撞墻采用C30混凝土，均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。斜交實(shí)心板連續(xù)梁橋的具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。該橋采用滿堂支架施工，首先開挖基坑澆筑橋墩，然后搭設(shè)支架，經(jīng)過預(yù)壓后在支架上現(xiàn)澆橋面板，再施工橋面鋪裝，最后施工防撞墻。

1.2 分析思路

計(jì)算分析采用Midas FEA 3.7.0，首先建立斜交實(shí)心板橋橋面板、橋面鋪裝和防撞墻的幾何模型，采用計(jì)算軟件的印刻功能確定支座在橋面板底面的位置，然后劃分有限元網(wǎng)格，劃分完成的有限元模型如圖2所示。由于需要研究橋面系對(duì)斜交實(shí)心板梁橋受力性能的影響，建立三個(gè)對(duì)比模型，模型一只有橋面板，模型二考慮帶橋面鋪裝的橋面板，模型三建立完整的橋面系，包括橋面鋪裝和防撞墻。模型一劃分網(wǎng)格140 160個(gè)，模型二劃分網(wǎng)格275 271個(gè)，模型三劃分網(wǎng)格316 457個(gè)。由于該橋采用滿堂支架施工，斜交實(shí)心板橋在拆除支架之前幾乎不受力，以上三個(gè)模型也就分別代表了：橋面板達(dá)到強(qiáng)度后拆除支架現(xiàn)澆完整橋面系時(shí)的結(jié)構(gòu)受力；橋面板和橋面鋪裝達(dá)到強(qiáng)度后拆除支架現(xiàn)澆防撞墻時(shí)的結(jié)構(gòu)受力；橋面板和完整橋面系達(dá)到強(qiáng)度后拆除支架時(shí)的結(jié)構(gòu)受力。

圖1 斜交實(shí)心板橋結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

圖2 有限元模型

混凝土的本構(gòu)模型設(shè)置為彈性模型，C30混凝土和C40混凝土的容重和泊松比相同，彈性模量不同，容重為25 kN/m3，泊松比為0.2。C30混凝土的彈性模量為30 GPa，C40混凝土的彈性模量為32.5 GPa。C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.39 MPa，C40混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.65 MPa。

在邊界上采用只受壓彈簧模擬油毛氈支座對(duì)斜交實(shí)心板橋的約束作用，荷載只考慮結(jié)構(gòu)自重和橋面系混凝土濕重的作用，自重荷載因子設(shè)置為Z=-1.04。模型一中將橋面鋪裝和防撞墻的混凝土濕重采用均布?jí)毫κ┘樱Ｐ投袑⒎雷矇Φ幕炷翝裰夭捎镁級(jí)毫κ┘?，模型三中按照完整結(jié)構(gòu)建模無須施加自重以外的任何混凝土濕重荷載。

2 橋面系影響分析

2.1 變形分析

通過計(jì)算，得到模型一、模型二、模型三的結(jié)構(gòu)撓度如圖3所示。

圖3 橋面系對(duì)撓度的影響

由圖3(a)可以看出：橋面板在橋面鋪裝和防撞墻的濕重荷載作用下，橋面板的撓度最大值為0.275 mm，出現(xiàn)在跨中截面靠鈍角一側(cè)的懸臂板上，其余各跨跨中位置的懸臂板均有較大撓度值；由圖3(b)可以看出：考慮橋面鋪裝對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的加強(qiáng)以及現(xiàn)澆防撞墻濕重荷載后結(jié)構(gòu)的撓度最大值為0.120 mm，出現(xiàn)在跨中位置靠銳角一側(cè)的懸臂板上，其余各跨跨中位置的懸臂板均有較大撓度值；由圖3(c)可以看出：考慮整個(gè)橋面系對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的加強(qiáng)以后，結(jié)構(gòu)的撓度最大值為0.051 mm，出現(xiàn)在橋面板跨中截面的橫橋向中間位置。

2.2 應(yīng)力分析

通過計(jì)算，得到模型一、模型二、模型三的結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力如圖4所示。

圖4 橋面系對(duì)第一主應(yīng)力的影響

由圖4(a)可以看出：橋面板結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值為1.330 MPa，出現(xiàn)在中間墩支座邊緣截面的頂面上，且靠近懸臂板；由圖4(b)可以看出：考慮橋面鋪裝對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的加強(qiáng)以后，現(xiàn)澆防撞墻濕重荷載作用下結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值為0.525 MPa，與模型一的第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置相近；由圖4(c)可以看出：考慮整個(gè)橋面系對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的加強(qiáng)以后，結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值為0.422 MPa，出現(xiàn)在中間墩中間截面的防撞墩頂部位置。

2.3 綜合對(duì)比分析

對(duì)比各結(jié)構(gòu)的撓度最大值，綜合分析發(fā)現(xiàn)：橋面板達(dá)到強(qiáng)度后拆除支架現(xiàn)澆完整橋面系時(shí)的結(jié)構(gòu)撓度最大，橋面鋪裝對(duì)橋面板的結(jié)構(gòu)剛度加強(qiáng)以后結(jié)構(gòu)撓度下降0.155 mm，降低幅度為56.36%；整個(gè)橋面系對(duì)橋面板的結(jié)構(gòu)剛度加強(qiáng)以后結(jié)構(gòu)撓度下降0.224 mm，降低幅度為81.45%。

對(duì)比各結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值，綜合分析發(fā)現(xiàn)：橋面板達(dá)到強(qiáng)度后拆除支架現(xiàn)澆完整橋面系時(shí)的第一主應(yīng)力最大，橋面鋪裝對(duì)橋面板的結(jié)構(gòu)剛度加強(qiáng)以后結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力下降0.805 MPa，降低幅度為60.53%；整個(gè)橋面系對(duì)橋面板的結(jié)構(gòu)剛度加強(qiáng)以后結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力下降0.908 MPa，降低幅度為68.27%。

3 防撞墻分縫影響分析

在橋面系影響分析中，模型三的防撞墻在斜交實(shí)心板橋全長連續(xù)，為了研究防撞墻的分縫數(shù)量對(duì)斜交實(shí)心板橋受力性能的影響，設(shè)置一道縫、兩道縫、三道縫三種情況與模型三建立對(duì)比分析模型，縫寬統(tǒng)一設(shè)置為10 mm，設(shè)置一道縫時(shí)將縫設(shè)置在中間墩的中間截面，設(shè)置兩道縫時(shí)將縫設(shè)置在連續(xù)梁的跨中兩個(gè)截面，設(shè)置三道縫時(shí)將縫設(shè)置在中間墩的中間截面和跨中的兩個(gè)截面。

3.1 變形分析

通過計(jì)算，得到斜交實(shí)心板橋的防撞墻設(shè)置一道縫、兩道縫、三道縫后的撓度如圖5所示。

由圖5可以看出：當(dāng)防撞墻設(shè)置一道縫時(shí)，斜交實(shí)心板橋的撓度最大值出現(xiàn)在橋面板跨中截面的中間位置附近，撓度最大值為0.052 mm；當(dāng)防撞墻設(shè)置兩道縫時(shí)，斜交實(shí)心板橋的撓度最大值出現(xiàn)在跨中截面的防撞墻位置附近，撓度最大值為0.067 mm；當(dāng)防撞墻設(shè)置三道縫時(shí)，斜交實(shí)心板橋的撓度最大值仍然出現(xiàn)在跨中截面防撞墻位置附近，撓度最大值為0.087 mm。

圖5 防撞墻不同分縫形式下的撓度

圖6 防撞墻不同分縫形式下的第一主應(yīng)力

3.2 應(yīng)力分析

通過計(jì)算，得到斜交實(shí)心板橋的防撞墻設(shè)置一道縫、兩道縫、三道縫后的第一主應(yīng)力如圖6所示。

由圖6可以看出：當(dāng)防撞墻設(shè)置一道縫時(shí)，斜交實(shí)心板橋的第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中間墩防撞墻分縫位置的橋面鋪裝位置，第一主應(yīng)力最大值為0.650 MPa，表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)防撞墻設(shè)置兩道縫時(shí)，斜交實(shí)心板橋的第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中間墩截面的防撞墻頂部位置，第一主應(yīng)力最大值為0.556 MPa；當(dāng)防撞墻設(shè)置三道縫時(shí)，斜交板橋的第一主應(yīng)力最大值仍然出現(xiàn)在中間墩防撞墻分縫位置的橋面鋪裝位置，第一主應(yīng)力最大值為1.027 MPa，同樣表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.3 綜合對(duì)比分析

對(duì)不同防撞墻分縫形式下斜交實(shí)心板橋的撓度對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：防撞墻不分縫時(shí)斜交實(shí)心板橋的撓度最小，隨著分縫數(shù)量的增加，斜交實(shí)心板橋的撓度越來越大，防撞墻由不分縫到三道分縫，斜交實(shí)心板橋的撓度增大0.036 mm，增大幅度為70.59%。

對(duì)防撞墻不同分縫形式下斜交實(shí)心板橋的第一主應(yīng)力對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：防撞墻不分縫時(shí)斜交實(shí)心板橋的第一主應(yīng)力最小，設(shè)置三道縫時(shí)斜交實(shí)心板橋的第一主應(yīng)力最大；防撞墻由不分縫到設(shè)置分三道縫，斜交實(shí)心板橋的第一主應(yīng)力增大0.605 MPa，增大為不分縫時(shí)的2.43倍。

4 結(jié)論

通過橋面系和防撞墻分縫形式影響對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)橋面系可以在一定程度上增強(qiáng)斜交實(shí)心板橋的抗彎剛度，考慮橋面系對(duì)橋面板結(jié)構(gòu)剛度的增強(qiáng)后，斜交實(shí)心板橋的撓度和第一主應(yīng)力均有一定程度下降。

(2)斜交實(shí)心板橋的支架拆除時(shí)機(jī)不同，其結(jié)構(gòu)受力存在較大差異，主要表現(xiàn)在撓度、應(yīng)力的最大值和出現(xiàn)位置上。

(3)橋面板混凝土達(dá)到強(qiáng)度后隨即拆除支架現(xiàn)澆完整橋面系時(shí)，橋面板的第一主應(yīng)力接近于C40混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由此可見，小跨徑斜交實(shí)心板橋采用滿堂支架施工時(shí)，最好是在橋面系達(dá)到強(qiáng)度后再拆除支架，這樣可以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗彎剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)施工時(shí)的安全。

(4)隨著防撞墻分縫數(shù)量的增加導(dǎo)致防撞墻無法提供其本身的抗彎剛度，只表現(xiàn)為恒荷載的作用，分縫數(shù)量過多將造成斜交實(shí)心板橋的撓度和第一主應(yīng)力存在較大幅度的增大。