預(yù)應(yīng)力混凝土異形變寬連續(xù)梁設(shè)計(jì)

王超 黃從俊 王佳

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230041)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)的突飛猛進(jìn)，一座座高架橋和互通立交拔地而起，而在高架橋和立交的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到各種復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)。本文以一座已經(jīng)運(yùn)營(yíng)兩年的異形變寬連續(xù)梁橋?yàn)槔接懘朔N橋梁的一般設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)。

1 工程背景

本橋是肥西縣金寨南路跨派河大橋引橋的一部分，位于大橋主線和右轉(zhuǎn)匝道結(jié)合處，設(shè)計(jì)為24+34+24=82 m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁中跨處開(kāi)始變寬，橋梁結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)平面圖

等寬段采用單箱四室斷面，橋面加寬處為單箱六室，梁高為1.8 m。為了分析該異形結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和應(yīng)力應(yīng)變特性，采用平面桿系有限元和空間梁格有限元兩種方法，分別建立平面模型和簡(jiǎn)化空間模型，計(jì)算在規(guī)范規(guī)定的荷載工況下各腹板及頂?shù)装宓膬?nèi)力及撓度，并進(jìn)行合理配筋，使結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的各限值。

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算參數(shù)

本橋采用橋梁博士橋梁專(zhuān)用計(jì)算軟件3.11分別計(jì)算平面和空間模型，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主梁采用C50混凝土，二期恒載按實(shí)際計(jì)算，橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，活載為公路Ⅰ級(jí)，支座沉降、非線性溫度、升溫降溫變化、收縮徐變等參數(shù)數(shù)值均采用規(guī)范規(guī)定值。

2.2 平面桿系計(jì)算

選取第一跨跨中截面、2號(hào)支點(diǎn)截面、第二跨跨中截面、3號(hào)支點(diǎn)截面、第三跨跨中截面5個(gè)特征截面計(jì)算結(jié)果比較。正常使用狀態(tài)短期組合2(拉應(yīng)力)和標(biāo)準(zhǔn)組合3的應(yīng)力(壓應(yīng)力)結(jié)果計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 特征截面應(yīng)力計(jì)算表(一) MPa

承載能力極限狀態(tài)組合特征截面的彎矩計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 特征截面彎矩計(jì)算表(一) kN·m

結(jié)構(gòu)自重作用下的支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 自重作用下支點(diǎn)反力(一) kN

2.3 空間梁格計(jì)算

空間梁格法即最早由Sawko提出的剪力柔性梁格法，其基本原理為:上部結(jié)構(gòu)靂一個(gè)等效梁格模擬，將分散在箱梁每一段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格，橫向剛度則集中于橫向梁格內(nèi)，當(dāng)結(jié)構(gòu)原型和等效網(wǎng)格承受相同荷載，它們的撓曲變形相等，并且在任一網(wǎng)格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩等于它們所代表的那一部分結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。由于理論結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在差異，因此本方法為近似計(jì)算，滿(mǎn)足工程精度要求即可。

劃分梁格單元。

斷面劃分按照劃分后截面與劃分前截面的中性軸基本一致的原則進(jìn)行劃分，將原閉合箱形截面劃分為等效工字形截面，斷面劃分如圖2所示。

圖2 斷面劃分示意圖

每個(gè)等效工字形截面為縱梁截面，縱梁的橫向連接在一般部位考慮原箱形截面的頂?shù)装遄饔茫⒈ＷC橫向單元的中性軸與原截面一致，在有橫梁和橫隔板部位，橫向單元截面為該處的橫梁截面或橫隔板截面。

全橋空間單元模型建立如圖3所示。

圖3 空間梁格模型圖

正常使用狀態(tài)短期組合2(拉應(yīng)力)結(jié)果計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 特征截面應(yīng)力計(jì)算表(二) MPa

承載能力極限狀態(tài)組合特征截面的彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 特征截面彎矩計(jì)算表(二) kN·m

結(jié)構(gòu)自重作用下的支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 自重作用下支點(diǎn)反力(二) kN

3 結(jié)果比較

正常使用狀態(tài)短期組合2的平面桿系模型計(jì)算和空間梁格模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

平面桿系計(jì)算和空間梁格自重作用下?lián)隙扔?jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可見(jiàn)，平面桿系單元的計(jì)算與空間梁格單元計(jì)算的整體荷載效應(yīng)類(lèi)似，但在特征點(diǎn)的幅值上有差異，平面桿系計(jì)算不能反映偏載作用下各個(gè)腹板的內(nèi)力變化;平面桿系計(jì)算的支座反力不能反映同一橋墩處不同支點(diǎn)的反力差異，在選擇支座型號(hào)時(shí)，僅以平面桿系反力計(jì)算值除以支點(diǎn)數(shù)的平均值作為選取支座型號(hào)的依據(jù)是不安全的;在橋梁加寬處，腹板預(yù)應(yīng)力鋼束需單獨(dú)設(shè)置，而這一點(diǎn)只能通過(guò)梁格法的計(jì)算才能完成，平面桿系計(jì)算無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;從空間計(jì)算結(jié)果看，每個(gè)腹板之間內(nèi)力分布也有一定差異，靠近加寬處的腹板內(nèi)力和支座反力均較大，這是導(dǎo)致單側(cè)加寬橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭矩的原因。在加寬處，通過(guò)增加腹板即縱梁F，能相應(yīng)減小應(yīng)力峰值，改善受力。

表7 短期組合2比較表 MPa

表8 撓度比較表 cm

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述兩種方法計(jì)算比較可得，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)不規(guī)則的異形變寬箱梁，設(shè)計(jì)時(shí)僅采用多種方法分析結(jié)構(gòu)在恒載及可變荷載作用下的受力特性是有必要的。由于各腹板的受力不同，因此各腹板的預(yù)應(yīng)力設(shè)置要保證各腹板的受力均要滿(mǎn)足規(guī)范要求。平面桿系計(jì)算雖不能完全反映該類(lèi)型結(jié)構(gòu)的空間上的受力特性，但為設(shè)計(jì)配置預(yù)應(yīng)力鋼束提供初步的依據(jù)，在設(shè)計(jì)時(shí)，可先依據(jù)平面桿系的結(jié)果進(jìn)行配筋，然后建立空間梁格模型驗(yàn)算，并調(diào)整相應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼束配置。而上述兩種方法也均存在缺點(diǎn)，即都不能準(zhǔn)確考慮箱梁的剪力滯、扭轉(zhuǎn)、畸變等效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中往往通過(guò)對(duì)規(guī)范荷載乘以一定安全系數(shù)來(lái)保證結(jié)構(gòu)安全。除計(jì)算外，設(shè)計(jì)中也應(yīng)注意其他問(wèn)題，如由于結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的不對(duì)稱(chēng)，在施工過(guò)程中應(yīng)注意保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以考慮通過(guò)多次分批張拉預(yù)應(yīng)力鋼束解決該問(wèn)題，還有支座應(yīng)選取有一定抗扭能力的盆式橡膠支座，不建議使用板式橡膠支座。

本橋通車(chē)已四年時(shí)間，運(yùn)營(yíng)情況良好。因此，在遇到該類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí)，靈活運(yùn)用平面桿系法和空間梁格法能為設(shè)計(jì)者節(jié)約大量時(shí)間并滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需要。

［1］范立楚.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］戴公連，李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］徐海軍，冷金榮.城市高架橋異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010(8)：9-10.

［4］藺鵬臻，劉世忠.橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.