晉中市經四路澗河橋力學性能分析

吳紅升

(太原市市政工程設計研究院，山西太原 030002)

1 工程概況

正在修建的晉中市榆次區經四路澗河橋位于晉中市澗河上，是跨榆次區澗河的重點景觀橋梁工程。該橋上部結構為3×28 m變截面鋼筋混凝土連續箱梁，外裝成拱形;下部結構為重力式橋臺，柱式橋墩，配承臺樁基。橋梁跨徑布置為(28+28+28)m，標準橋面段寬度為52 m(5.5 m人行道+6 m非機動車道+3.5 m隔離帶+22 m機動車道+3.5 m隔離帶+6 m非機動車道+5.5 m人行道)，雙向六車道。主梁采用分離式雙主箱斷面，為鋼筋混凝土箱形結構，梁底設置二次拋物線，支點處梁高4.0 m，跨中梁高1.25 m，箱梁為單箱多室直腹板結構，單幅箱梁梁頂寬25.84 m(未含外裝飾)，箱梁底寬25.84 m，不設置懸臂，箱梁每跨跨中設橫隔板。箱梁底板厚度隨梁高變化，自支點截面向跨中截面逐漸減小，墩頂梁高4.0 m，頂板厚25 cm，底板厚127.5 cm，邊腹板厚70 cm，中腹板厚70 cm;跨中梁高1.25 m，底板厚25 cm，頂板厚25 cm，邊腹板厚50 cm，中腹板厚50 cm，箱梁采用C40混凝土。橋梁下部采用柱式橋墩、重力式橋臺，基礎采用承臺配樁基，樁基礎均按摩擦樁設計。橋臺、橋墩樁基直徑均為1.5 m，承臺高度2.0 m。橋墩直徑1.5 m，臺厚度2.2 m。由于該橋型受力復雜，且空間效應明顯，為了確保橋梁安全，需要對該橋建立空間模型并進行空間力學性能分析。

2 有限元模型的建立

采用有限元軟件MIDAS/Civil進行建模，在橋梁有限元建模中，結合類似橋梁的建模經驗，主梁采用空間梁單元模擬;墩頂橫梁和跨中橫隔板折算成荷載的形式施加在主梁上;主梁縱向鋼筋、抗剪箍筋和彎起鋼筋(彎起角度45°)均按照設計圖紙上進行輸入。墩頂支座利用有限元軟件MIDAS/Civil中的邊界條件彈性連接進行模擬，按照抗震支座的實際剛度進行輸入，橫橋向一幅橋設置6個支座，間距為4.654 m。橋梁空間有限元計算模型如圖1～圖3所示(X為縱橋向，Y為橫橋向，Z為豎橋向)。材料常數根據橋梁設計規范確定。

根據橋梁所處的環境和設計標準，荷載的施加均按照實際受力情況和橋梁規范規定進行恒載和移動荷載的施加。

圖1 空間計算模型

圖2 墩頂模型斷面圖

圖3 跨中模型斷面圖

經四路澗河橋施工采用滿堂支架施工，先在支架上澆筑混凝土，進行養護，最后進行橋面施工，施工階段的劃分見表1。

表1 施工階段劃分

3 計算結果及其分析

3.1 荷載工況

為了對晉中市經四路澗河橋進行力學性能分析，考慮在施工階段和成橋階段下橋梁的受力狀態。根據施工階段和成橋后荷載工況，計算了該橋的靜態力學性能，分析計算結果，可以得出以下結論。

3.2 施工階段

1)主梁受力分析:主梁軸力和彎矩關于該橋中跨近似對稱，剪力關于中跨大致反對稱，限于篇幅，本文僅給出彎矩圖，如圖4所示，彎矩圖在中跨處均為負彎矩，沒有正彎矩出現，且墩頂負彎矩較大，這是由于該橋跨徑布置相等且自重較大，以至于中跨均為負彎矩;在靠近墩頂處，剪力變大且有突變，在跨中剪力較小，符合連續梁橋的一般規律。根據規范JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范，第7.2.4和7.2.5的規定，需進行施工階段的應力驗算。對于受壓區混凝土邊緣壓應力和箱梁混凝土中性軸主拉應力的驗算，在整個施工過程中，全橋最大法向壓應力出現在施工第三階段，單元最大法向壓應力為8.2 MPa，箱梁混凝土中性軸主拉應力為0.993 MPa，滿足橋梁規范要求。

圖4 經四路澗河橋施工階段彎矩圖

2)主梁整體變形分析:主梁整體變形均以豎向位移為主(如圖5所示)，在第三施工階段，主梁中跨并沒有出現下撓，反而向上變形，豎直向上最大位移出現在跨中，其數值為18 mm。邊跨有豎直向下的變形，其豎直向下最大位移出現在接近跨中的位置，其值為36 mm。邊跨和中跨變形均接近二次拋物線形式，為保證橋梁在施工過程中的安全性［1］，施工時要預壓支架，根據主梁變形情況調整主梁預拱度，以保證成橋后主梁線形達到合理的狀態。

圖5 經四路澗河橋施工階段位移圖

3)支座反力分析:支座反力在橋臺和橋墩處分布比較均勻，在橋臺處支座反力最大值為2 015 kN，在橋墩處支座反力最大值為5 691 kN，橋墩臺受力情況較好。

3.3 成橋階段

1)主梁受力分析:梁軸力包絡圖和彎矩包絡圖(如圖6所示)，關于該橋中跨近似對稱，剪力包絡圖關于中跨大致反對稱。成橋后的彎矩包絡圖在中跨跨中存在較小的正彎矩，在墩頂處存在較大的負彎矩，由于該橋等跨徑布置且自重較大，車道荷載和人群荷載影響相對恒載影響較小，以致于中跨彎矩包絡圖中負彎矩影響較大;在靠近墩頂處，剪力包絡圖中剪力變大且有突變，在跨中剪力包絡圖中剪力較小，符合連續梁橋的一般規律。根據橋涵規范相關的規定，對該橋需進行使用階段正截面抗彎強度驗算，根據箱梁最大、最小彎矩包絡圖可知，最大正彎矩為74 216 kN·m(截面內力)＜86 592 kN·m(截面抗力)，最大負彎矩為161 421 kN·m(截面內力)＜200 424 kN·m(截面抗力)，所有截面的內力均小于截面的抗力。根據規范JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范，第5.2.6～5.2.11的規定，需進行使用階段斜截面抗剪驗算，根據剪力包絡圖可知，全橋最大剪力為26 733 kN＜54 894 kN;同時根據計算結果，所有截面的內力均小于截面的抗力，滿足規范要求。對箱梁進行裂縫寬度驗算，根據頂板與底板單元的上下緣的裂縫分布可知，最大裂縫寬度為0.17 mm＜0.2 mm，滿足規范要求。

2)主梁整體變形分析:全橋以豎向位移為主，主梁中跨在永久荷載和可變荷載作用下并沒有出現下撓，反而向上變形，豎直向上最大位移出現在跨中，其數值為10 mm;邊跨有豎直向下的變形，其豎直向下最大位移出現在接近跨中的位置，其值為23 mm。沿縱橋向位移最大值為21 mm，橫橋向位移可以忽略不計。根據橋涵規范，在消除結構自重產生的長期撓度后梁式橋主梁的最大撓度處不應超過計算跨徑的1/600［2］，即最大值不應超過46 mm，橋梁變形滿足規范要求。邊跨和中跨變形均接近二次拋物線形式，要根據主梁變形情況調整主梁預拱度，以保證成橋后主梁線形達到合理的狀態，同時要注意中跨主梁變形的情況，由于該橋跨徑邊跨和中跨布置均相等，以至于中跨變形向上，在施工時要引起注意。

圖6 經四路澗河橋成橋階段彎矩包絡圖

3)支座反力分析:支座反力在橋臺和橋墩處分布比較均勻，由于移動荷載的作用，在靠近道路中心線處橋墩臺支座反力較大，而遠離道路中心線處支座反力較小，墩頂處支座反力最大值為6 768 kN，最小值為6 355 kN，橋臺處支座反力最大值為2 674 kN，最小值為2 371 kN。在選擇支座和計算下部結構時，要根據不同的支座反力合理的選擇支座類型和樁基長度。

4 結語

針對晉中市榆次區經四路澗河橋的實際特點，使用有限元軟件MIDAS/Civil對該橋進行靜態力學性能分析，根據施工階段和成橋階段橋梁的計算結果可知，主梁受力和變形均滿足規范規定的允許值，主梁線形控制較好，該橋梁在汽車荷載作用下位移滿足設計規范正常使用狀態下的變形要求。

本文計算結果已為經四路澗河橋設計復核提供基礎性數據。

［1］賀栓海.橋梁結構理論與計算方法［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.