劉承啟，閆杰棟

（中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司山東分院，山東 青島 266000）

機(jī)場航站樓站前高架橋?yàn)闈M足交通需求，需要設(shè)置快速通過道、通過道、私家車?？康?、旅客站臺、出租車及大巴停靠道、人行道、檢修道等，因此橋梁設(shè)計(jì)寬度較大，橋梁的寬跨比大，箱梁結(jié)構(gòu)的橫向效應(yīng)顯著。箱梁頂板直接承受橋梁外部荷載，設(shè)計(jì)需要對箱梁的橫向受力進(jìn)行計(jì)算分析。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，對站前寬橋的頂板受力進(jìn)行分析，并研究了多種因素對箱梁頂板受力性能的影響。

1 工程概況

煙臺機(jī)場二期工程站前高架橋，橋梁標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為37 m，橋梁橫斷面布置：0.5 m （防撞體） + 1 m （檢修道） + 15 m （單向四車道） + 3 m （旅客站臺） + 11 m （單向三車道）+6 m （人行道）+0.5 m （防撞體）。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，箱梁采用單箱七室截面，兩側(cè)懸臂長度2.15 m，腹板斜率2.5:1，中間箱室中心距4.6 m。

箱梁標(biāo)準(zhǔn)段頂板厚度24 cm，底板厚度22 cm，腹板厚度35 cm。頂板橫橋向上下緣鋼筋配置為：直徑18 mm 間距15 cm，頂板橫橋向不設(shè)置預(yù)應(yīng)力。圖1為站前橋梁橫斷面圖。

圖1 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

2 橫向框架計(jì)算

2.1 橫框模型

橫向計(jì)算于橋梁跨中位置沿縱橋向取1 m 長度的結(jié)構(gòu)，建立橫向框架模型進(jìn)行分析，如圖2所示，計(jì)算采用midas/civil 軟件建立平面桿系模型，每道腹板下設(shè)置支座約束。橫向計(jì)算考慮的荷載和作用有：結(jié)構(gòu)自重、路面鋪裝、防撞體、人行道鋪裝；車輛荷載（按城-A 級）、人群荷載、系統(tǒng)升降溫、頂板溫度梯度作用。

圖2 midas計(jì)算模型及控制性截面位置示意

2.2 車輛荷載分布寬度

按照《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》4.2節(jié)，[1]計(jì)算箱梁頂板在車輛荷載作用下的縱橋向荷載分布寬度如圖3所示，根據(jù)荷載分布寬度換算出車輛荷載的單位寬度作用力。[2]

圖3 荷載縱橋向分布寬度計(jì)算值（單位：cm）

2.3 計(jì)算結(jié)果

橫框計(jì)算中頂板、腹板、底板控制截面的各項(xiàng)荷載內(nèi)力值見表1，基本組合下各單元內(nèi)力包絡(luò)值如圖4～圖6所示，極限狀態(tài)下箱梁抗彎驗(yàn)算和頂板裂縫計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8，構(gòu)件按普通鋼筋混凝土受彎板構(gòu)件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體升、降溫對內(nèi)力幾乎沒有影響，表1未列出其計(jì)算結(jié)果。

圖4 基本組合下軸力圖（單位：kN）

圖6 基本組合下彎矩圖（單位：kN·m）

圖7 極限狀態(tài)正截面抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖8 使用階段裂縫寬度驗(yàn)算包絡(luò)圖（單位：mm）

表1 控制性截面內(nèi)力值表（單位：kN、kN·m）

總體上截面的承載能力極限狀態(tài)控制橋梁橫向設(shè)計(jì)，車行道下箱室頂板支點(diǎn)處的抗彎驗(yàn)算起控制作用，人行道范圍內(nèi)頂板承載力富裕量較大。最不利截面在頂板支點(diǎn)T3 位置，其基本組合下最大彎矩-226.8 kN·M，該截面在恒載下彎矩-19.2 kN·M，車輛荷載下最大彎矩-82.1 kN·M，溫度梯度最大彎矩-11.0 kN·M。頂板最大裂縫值為0.138 mm，滿足規(guī)范0.2 mm 的裂縫限值要求。

對于箱梁頂板，各項(xiàng)荷載、作用中車輛荷載引起內(nèi)力值最大，同時(shí)基本組合下按規(guī)范局部加載的車輛荷載沖擊系數(shù)為0.3，車輛荷載組合系數(shù)為1.8，車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值 2.34 進(jìn)行組合，其效應(yīng)進(jìn)一步放大對頂板的受力產(chǎn)生很大影響。頂板支點(diǎn)處負(fù)彎矩可按規(guī)范考慮腹板支撐寬度影響對負(fù)彎矩進(jìn)行適當(dāng)折減。

圖5 基本組合下剪力圖（單位：kN）

3 各種影響因素分析

以第2 節(jié)中建立的計(jì)算模型為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型，通過分析車輛荷載的加載型式、模型邊界條件、箱梁邊腹板斜率、截面和構(gòu)件設(shè)計(jì)等，研究各種因素對箱梁頂板受力性能的影響。

3.1 車輛荷載的加載型式

通過前述分析，車輛荷載的加載對橫框計(jì)算中頂板的設(shè)計(jì)起控制作用。在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型中，車輛荷載以集中力的型式按照影響線進(jìn)行加載，忽略了車輪在橫橋向的分布寬度以及鋪裝層對于荷載的擴(kuò)散作用。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中提取T1～T4最不利工況下的車輛加載工況，分別按橫橋向車輪寬度0.6m （模型2） 和考慮鋪裝層擴(kuò)散作用的分布寬度0.6+2 0.17=0.94 m （模型3） 進(jìn)行加載，對比頂板彎矩計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 車輛荷載下不同加載型式頂板彎矩對比（單位：kN·m）

考慮車輛荷載橫橋向的分布寬度，相比于模型1 集中力加載，箱室跨中正彎矩有較為明顯的削弱，模型2 中頂板正彎矩削弱約11%，模型3中頂板正彎矩削弱約15%。加載型式對于頂板支點(diǎn)負(fù)彎矩的削弱影響較小。

3.2 腹板處支撐剛度的影響

橋梁橫向計(jì)算一般采用框架模型能夠滿足工程的需要，[3][4]由于本橋?qū)捒绫容^大，因此主要分析腹板豎向支撐剛度的修正對計(jì)算結(jié)果的影響。

通過建立本橋整體折面梁格模型如圖10所示，在跨中各道腹板處施加單位豎向荷載，得到各道腹板的豎向位移值，依次求得橫向計(jì)算中該處腹板的豎向支撐剛度，將橋梁縱橋向標(biāo)準(zhǔn)跨度按18 m、28 m、38 m，分別對應(yīng)修改橫框模型中腹板的豎向支撐剛度為模型2～模型4。其中邊腹板豎向剛度與中腹板比值約為0.6～0.7，橫向靠近橋墩支點(diǎn)處的中腹板大于其他中腹板的豎向支撐剛度。

圖10 midas折面梁格模型

提取模型2～4 中頂板T1～T4 車輛荷載下彎矩值與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型進(jìn)行對比見圖11，修正腹板的豎向支撐剛度：頂板T1、T3 處負(fù)彎矩值有所減小，T2、T4處正彎矩值變化不大。

圖11 車輛荷載下修正腹板支撐剛度頂板彎矩（單位：kN·m）

3.3 邊腹板斜率影響

箱梁懸臂范圍內(nèi)的豎向荷載通過邊腹板和頂板連接處的節(jié)點(diǎn)后，使箱室頂板產(chǎn)生拉力，斜腹板承受壓力，按照力的平衡原則，腹板傾斜角度越大，箱室頂板拉力值越大。

標(biāo)準(zhǔn)模型中箱室邊腹板斜率為2.5:1，保證箱梁懸臂長度不變，分別調(diào)整邊腹板斜率為4.5:1、3.5:1、1.5:1，通過計(jì)算分析提取恒載下頂板內(nèi)力值對比見圖12，隨著腹板斜率的變小，頂板的彎矩幾乎不受影響，頂板拉力明顯變大。

圖12 恒載下不同腹板斜率頂板內(nèi)力（單位：kN·m/kN）

3.4 偏心受拉的影響

第2 節(jié)中箱梁頂板按照受彎構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，由于頂板實(shí)際存在軸力的影響，將頂板T1～T4位置截面按照偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，同時(shí)提取3.3 節(jié)中邊腹板斜率1.5:1 模型中頂板拉力值，復(fù)核截面裂縫計(jì)算結(jié)果見圖13。

T1～T3截面按偏心受拉構(gòu)件計(jì)算時(shí)，計(jì)算裂縫不同程度增大，斜率1.5:1 模型由于頂板拉力增大，裂縫值進(jìn)一步加大。本工程箱梁懸臂長度2.15 m，同時(shí)懸臂端部設(shè)置有1 m 寬檢修道，懸臂范圍內(nèi)荷載較常規(guī)高架橋有所減??；當(dāng)邊腹板斜率較小、懸臂長度加大時(shí)，隨著頂板拉力的增大，偏心受拉的影響將更為突出。

T4截面彎矩最大工況下軸力為壓力，截面受拉時(shí)彎矩較小不控制設(shè)計(jì)，文中未列出其計(jì)算結(jié)果。

3.5 考慮鋪裝層參與受力的影響

箱梁頂面設(shè)置有8 cm混凝土調(diào)平層+9 cm瀝青混凝土路面面層，調(diào)平層內(nèi)設(shè)置直徑10 mm間距10 cm單層雙向鋼筋網(wǎng)片，在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型中8 cm調(diào)平層作為二期荷載考慮。分別考慮4 cm、8 cm厚調(diào)平層參與截面受力，即頂板厚度加厚4 cm、8 cm，對比車輛荷載下頂板最大彎矩見圖14。

圖14 荷載下考慮鋪裝層參與受力的頂板彎矩值（單位：kN·m）

由于頂板厚度同時(shí)加大4 或8 cm，箱室跨中范圍頂板較支點(diǎn)范圍的剛度增大比例更高，當(dāng)考慮8cm 鋪裝參與受力時(shí)，頂板T2、T4 正彎矩增大20.1%、16.8%，T1 負(fù)彎矩減小15.6%，T3 負(fù)彎矩減少較小?？梢钥闯鲣佈b層厚度對頂板正彎矩不利，對頂板支點(diǎn)處負(fù)彎矩有一定削弱作用。

考慮8 cm 鋪裝層及其鋼筋網(wǎng)片參與截面驗(yàn)算：頂板T1、T3截面鋪裝層位于截面受拉側(cè)，截面抗彎承載力由214.6 kN·m增大至332.5 kN·m，T2、T4截面鋪裝層位于截面受壓側(cè)，抗彎承載力由94.1 kN·m增大至110.2 kN·m，支點(diǎn)截面抗彎承載力明顯加大。

標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型中：頂板T1 按受彎構(gòu)件計(jì)算時(shí)裂縫寬度由0.138 mm 減少至0.129 mm，按偏拉構(gòu)件計(jì)算時(shí)裂縫寬度由0.138 mm 減少至0.133 mm。T2按受彎構(gòu)件計(jì)算裂縫寬度由0.094 mm減少至0.067 mm，按偏拉構(gòu)件計(jì)算裂縫寬度由0.106 mm 減少至0.092 mm，裂縫值均有一定程度減小。

可通過設(shè)置抗剪鋼筋等措施增強(qiáng)鋪裝層與頂板的連接和整體性，在計(jì)算時(shí)可適當(dāng)考慮鋪裝層參與結(jié)構(gòu)受力，同時(shí)應(yīng)注意鋪裝層參與受力對跨中頂板正彎矩增大的影響。

4 結(jié)論及建議

（1） 對于機(jī)場站前寬橋，應(yīng)進(jìn)行橫向計(jì)算分析，本工程箱梁橫向最不利位置在車行道范圍的頂板支點(diǎn)處，該截面基本組合下最大彎矩-226.8 kN·m，其中車輛荷載引起的內(nèi)力值影響最大；航站樓一側(cè)較寬的人行道部分頂板內(nèi)力明顯較小，相比于車行道部分的頂板配筋可進(jìn)行區(qū)分。

（2） 車輛荷載加載考慮橫橋向的分布寬度，分別按0.6 m 車輪寬度和0.94 m 分布寬度加載，箱室頂板跨中正彎矩削弱約11%、15%，支點(diǎn)負(fù)彎矩削弱較?。桓拱逯c(diǎn)處支撐剛度的修正對截面內(nèi)力影響較??；箱梁邊腹板斜率對箱室頂板軸向拉力影響較大，當(dāng)斜率由2.5:1減小至1.5:1時(shí)軸向拉力增加64.5%，明顯加大。

（3） 箱梁懸臂長度較大或邊腹板斜率較小時(shí)，箱室頂板建議按偏心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)；頂板截面考慮鋪裝層參與受力后，由于剛度的變化，車輛荷載下頂板跨中截面正彎矩最大增加20.1%；截面驗(yàn)算考慮鋪裝層參與受力時(shí)，截面承載力明顯加大，但應(yīng)注意鋪裝層和頂板之間加強(qiáng)連接，保證截面整體參與受力。