程春其

(中鐵城市規(guī)劃設計研究院有限公司，安徽 蕪湖 241060)

0 引言

大跨徑連續(xù)梁橋因其具有經濟性好、剛度大、行車舒適以及跨度大的優(yōu)點，在城市橋梁建設工程中得到了廣泛的應用。因此，需要對大跨徑連續(xù)梁橋的結構特性進行研究分析。石云等[1]研究了連續(xù)梁橋合龍順序對結構受力的影響；李國平等[2]研究了施工控制對大跨連續(xù)梁橋的線形影響；何庭國等[3]對烏龍江特大橋的橋梁線形和橋梁減隔震進行了分析，劉天培等[4]對將金山特大橋的橋墩受力和箱梁橫向受力進行了分析。

本文依托當蕪大橋工程實例，通過數值對比分析，對其230 m三跨預應力連續(xù)箱梁的縱向整體受力和橫向受力進行分析，以確保橋梁結構滿足設計安全要求。

1 工程概況

1.1 總體設計

當蕪大橋位于安徽省馬鞍山市當涂縣與蕪湖市的交界處，是赤鑄山路跨越青山河的一座大型橋梁，其主橋跨徑為65 m+100 m+65 m三跨預應力連續(xù)箱梁。橋梁跨越處規(guī)劃為Ⅲ級航道，兩岸防汛大堤之間的距離為270 m左右。整體橋跨布置為3聯3×30 m+4×30 m+(65+100+65) m+(48+73+48) m+4×30 m+3×30 m=999 m。全橋橫斷面布置為2×[2.5 m(人行道)+14.5 m(車行道)+0.5 m(防撞護欄)]+3 m(鏤空)=38 m。

1.2 主橋結構設計

當蕪大橋橋型立面布置、支點截面及跨中截面如圖1～4所示。橋面全寬38 m，由上、下行分離的兩個單箱雙室箱型截面組成，單個箱梁頂板寬17.5 m，厚0.28 m，設2%的橫坡；底板寬12.3 m，厚度為0.28～0.9 m，橫橋向橫坡也為2%；箱梁根部梁高5.8 m，端部和跨中梁高2.6 m；箱梁梁高及底板厚度按2次拋物線變化；腹板厚度為0.5～0.8 m；翼緣板懸臂長為2.6 m，端部厚0.18 m，根部厚0.6 m。除在主墩墩頂設置一道厚2.5 m的橫隔梁，邊跨端部設厚1.5 m的橫隔梁外，其余部位均不設橫隔板。箱梁混凝土采用C50，采用三向預應力體系，縱梁、橫梁預應力采用預應力鋼絞線，豎向預應力采用JL32精軋螺紋鋼筋，布置在腹板及中橫隔梁內。

圖1 當蕪大橋橋型立面布置圖(cm)

圖2 當蕪大橋邊支點截面圖(cm)

圖3 當蕪大橋中墩支點截面圖(cm)

圖4 當蕪大橋跨中截面圖(cm)

橋梁下部結構采用鋼筋混凝土雙柱式墩身，低樁承臺，群樁基礎。主航道橋墩柱直徑為3.0 m，承臺厚度為3.0 m，每個承臺下方布置雙排共計8根φ180 cm鉆孔灌注樁。

2 主橋縱向分析

當蕪大橋為大跨徑連續(xù)梁橋，受到其橋下水文環(huán)境因素限制，橋梁在施工過程中不能中斷水運航道，因此主橋采用懸臂法施工[5-6]。由于主橋箱梁構造和結構受力均較為復雜，為了確保橋梁結構的安全，需要對全橋進行整體靜力分析。

本文建立了大橋的縱向整體模型，對當蕪大橋的受力性能進行分析對比。

2.1 有限元模型

為了確保模型計算結果的安全可靠，本文采用了兩種獨立的有限元軟件對模型進行平行計算，并將計算結果進行對比分析。

分別采用中鐵大橋勘測設計院集團有限公司自主研發(fā)的平面有限元計算程序SCDS和橋梁博士軟件建立了整體有限元模型(圖5)，模擬了懸臂0#塊到合龍成橋共23個施工階段。掛籃和模板總重按100 t計，邊跨合龍段及中跨合龍段的模板吊架總重按30 t計。

根據相關規(guī)范[7-10]規(guī)定，當蕪大橋主要技術標準為：道路等級：城市主干道；設計車速：60 km/h；汽車荷載等級：城—A級，人群荷載3.5 kPa； 設計洪水位：11.60 m；最高通航水位：10.62 m；最低通航水位：1.84 m；航道等級：按規(guī)劃Ⅲ級(凈寬≥70 m，凈高≥7 m)；設計基準期：100年。

圖5 當蕪大橋主橋有限元模型圖

2.2 結果對比分析

為了更直觀地對比分析當蕪大橋的縱受力特性，本文選取了其中7個典型截面，分別是邊跨的端部和1/2L處以及中跨的1/2L處和支點處。具體如圖6所示。

圖6 當蕪大橋典型截面選取示意圖(cm)

分別提取橋梁博士和SCDS模型中典型截面的內力和應力對比分析，具體的對比結果如下。

2.2.1 內力結果對比分析

由圖7～9可知，在成橋階段，SCDS和橋梁博士計算的彎矩數值大小基本一致，結果誤差較小；活載作用下，可以發(fā)現SCDS的計算結果和橋梁博士直接誤差較大，正彎矩時在橋梁的跨中位置處誤差較大，負彎矩時在結構的支點處誤差較大。由此可知，SCDS的計算結果更為不利。

圖7 成橋階段彎矩對比曲線圖

圖8 活載作用下最大正彎矩對比曲線圖

圖9 活載作用下最大負彎矩對比曲線圖

2.2.2 應力結果對比分析

由圖10～11可知，標準組合下，SCDS和橋梁博士計算的箱梁截面應力變化趨勢基本一致，應力誤差較小。箱梁的上下緣應力在主梁跨中位置誤差較大，最大截面誤差在2 MPa左右，SCDS計算結果更為不利。

通過兩種軟件的對比分析，進一步了解了橋梁的受力特性。由分析結果可知，SCDS和橋梁博士的計算結果吻合較好，沿主梁縱向的內力及應力變化趨勢一致，驗證了有限元模型的準確性。SCDS軟件計算數值較橋梁博士更大。為了確保橋梁結構的安全，在結構設計中兩個模型均能通過驗算。

圖10 標準組合箱梁上緣正應力對比曲線圖

圖11 標準組合箱梁下緣正應力對比曲線圖

3 主橋橫向分析

在大跨徑連續(xù)梁橋的計算中，由于結構的跨徑大以及橋面寬，除了對主橋縱向進行靜力分析外，還需要對箱梁的橫向受力進行分析，以確保結構在車輛橫向加載時的安全。

本文建立主橋箱梁的橫向有限元模型，對主橋的橫向局部進行分析，從而全面了解主橋的受力特性，為大橋結構設計安全提供重要依據。

3.1 箱梁橫向分析

本文采用SCDS軟件建立箱梁的橫向有限元模型。沿橋梁縱向選取6 m的節(jié)段，采用桿系單元模擬，二期荷載采用均布荷載加載，汽車荷載采用城—A級[11]，局部模型的約束主要在箱梁腹板與底板交接位置，采用常規(guī)的一般支承模擬。箱梁橫向有限元模型見圖12。

圖12 二維箱梁有限元模型圖

橫向分析中為了考慮汽車荷載橫向移動對結構的影響，分別計算車道居中加載和車道偏載兩種工況。車道布置的具體情況如圖13所示。

(a)車道居中加載

(b)車道偏載加載

3.2 分析結果

本文著重分析了箱梁頂底板的橫向受力以及箱梁頂、底板在基本組合下的內力結果，具體如圖14、圖15所示。

由圖14可知，頂板最大負彎矩分別在邊腹板和中腹板處，邊腹板最大的彎矩為-126.18 kN·m，中腹板最大負彎矩為-177.47 kN·m；頂板最大正彎矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中為42.285 kN·m，右箱室跨中為48.524 kN·m；頂板最大剪力分別在邊腹板和中腹板處，左側邊腹板最大的剪力為71.914 kN，中腹板最大剪力為145.85 kN，右側邊腹板最大的剪力為132.97 kN。

由圖15可知，底板最大負彎矩分別在邊腹板和中腹板處，邊腹板最大的彎矩為-48.325 kN·m，中腹板最大負彎矩為-38.097 kN·m；底板最大正彎矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中為25.485 kN·m，右箱室跨中為25.427 kN·m；底板最大剪力分別在邊腹板和中腹板處，左側邊腹板最大的剪力為25.778 kN，中腹板最大剪力為23.667 kN，右側邊腹板最大的剪力為23.34 kN。

綜上分析可知，箱梁頂板其抗彎承載力由負彎矩控制，其邊腹板和中腹板處的彎矩和剪力均較大，在設計該位置處其配筋構造需要加強；箱梁底板處彎矩和剪力較小，其與腹板位置處需要加強構造鋼筋即可。

(a)基本組合箱梁頂板彎矩(kN·m)

(b)基本組合箱梁頂板剪力(kN)

(a)基本組合箱梁底板彎矩(kN·m)

(b)基本組合箱梁底板剪力(kN)

4 結語

本文為了研究大跨徑連續(xù)梁橋的受力特性，以當蕪大橋為依托工程，采用了縱向整體分析和橫向局部分析相結合的研究方法，對主橋的縱向整體受力和箱梁橫向局部受力進行了分析，得到了以下結論：

(1)成橋階段，SCDS和橋梁博士計算結果誤差較小，有限元模型的準確性可以得到驗證。

(2)活載作用下，SCDS和橋梁博士計算結果誤差較大，最大正彎矩時在橋梁的跨中位置處誤差較大，最大負彎矩時在結構的支點處誤差較大。

(3)標準組合下，SCDS和橋梁博士計算的應力誤差較小，其反映的趨勢均為跨中處應力較大，支點處應力較小，SCDS計算結果更為保守，設計中為了偏于安全，本文以SCDS計算結果控制設計。

(4)箱梁橫向分析對橋梁的結構安全有重要意義，通過計算結果分析可以表明，箱梁腹板和翼緣板交接處的彎矩和剪力均較大，此處的受力較為復雜，設計過程中需要加強該位置。

(5)橫向分析結果分析表明，箱梁頂板受力較底板更為不利，其翼緣與邊腹板交接處，以及中腹板與頂板交接處，彎矩和剪力是底板的3～5倍，故在設計中，頂板橫向鋼筋應加密。