陜西鳳縣廊橋橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李旭升，張雨杰，牟三山，劉彬斌

（成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000）

陜西鳳縣廊橋橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李旭升，張雨杰，牟三山，劉彬斌

（成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000）

陜西鳳縣廊橋作為融景觀性、商業(yè)性為一體的廊橋，具有上部建筑集中荷載大、荷載集度高、景觀性好的特點(diǎn)。現(xiàn)采用Midas Civil軟件，應(yīng)用梁格法對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。計(jì)算表明：針對較大的荷載，采用非標(biāo)準(zhǔn)跨度（30 m+25 m+25 m+30 m=110 m）組合，非標(biāo)準(zhǔn)梁高（支點(diǎn)梁高2.8 m），橋梁上部結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。該廊橋建成后良好的運(yùn)行狀況可以證明梁格法能很好地應(yīng)用于復(fù)雜箱梁結(jié)構(gòu)的分析之中。

廊橋；梁格法；結(jié)構(gòu)分析

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)置，不僅僅要滿足車輛及人群的通行需求，而且還要作為各類建筑的載體活躍在城市當(dāng)中（如成都安順廊橋，雅安廊橋）。在該類橋梁中，橋梁上部建筑多為2～3層，柱間距多為3 m～5 m。其單柱荷載可達(dá)到1 092 kN，同時(shí)荷載較為密集。因此，該類橋梁與普通車行橋有很大不同。現(xiàn)以陜西鳳縣鳳凰湖廊橋?yàn)槔亟榻B在設(shè)計(jì)中對橋梁結(jié)構(gòu)方面的思考。

1 工程概況

陜西鳳縣廊橋位于陜西省鳳縣天水路，橋梁跨越嘉陵江，河道寬度為107 m。橋梁上部為3層漢唐式仿古建筑，仿古建筑長度為96 m，寬度為17 m，建筑柱網(wǎng)縱向間距均為4.0 m，橫向間距根據(jù)建筑功能確定。由于受到嘉陵江洪水位及周邊地形的限制，橋梁采用4跨變截面連續(xù)梁橋，其跨度組合為30 m+25 m+25 m+30 m=110 m。其立面圖、側(cè)面圖，見圖1、圖2所示。

圖1 廊橋立面圖

圖2 廊橋側(cè)面圖

根據(jù)建筑專業(yè)提供的資料，橋梁上部建筑共有134根柱，柱網(wǎng)縱橫向間距均為4.0 m。通過計(jì)算，廊橋上部結(jié)構(gòu)荷載主要為結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的恒載。

最大荷載位于建筑中部:N=1 092 kN，M=0.8 kN·m，V=0.4 kN；

最小荷載位于建筑外緣:N=174 kN，M=4.6 kN·m，V=0.9 kN。

2 計(jì)算分析

2.1 初步分析

該橋由于受到河道及周邊地形的限制，拱橋作為最優(yōu)的橋型已被否定。同時(shí)，該橋的荷載與普通車行橋相比有很大不同。因此，根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，對該橋結(jié)構(gòu)有以下思考。

（1）由于荷載較大且分布較密，在進(jìn)行橋梁精確計(jì)算分析前，根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)初步擬定梁高與跨徑布置。

（2）從橋梁結(jié)構(gòu)角度考慮，橋梁宜采用整體性好的現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。根據(jù)柱網(wǎng)的橫向分布來布置腹板，根據(jù)底層隔墻的縱、橫向分布設(shè)置腹板間橫隔板，最終該橋成為一個(gè)“強(qiáng)腹板”和“強(qiáng)聯(lián)系”的“筏形基礎(chǔ)”。

綜上，由于建筑荷載主要集中于中跨，因此采用橋梁布跨為30 m+25 m+25 m+30 m，該橋支點(diǎn)位置梁高2.7 m，跨中梁高1.6 m，橫隔板根據(jù)隔墻位置設(shè)置，橫隔板寬度為0.6 m（見圖3、圖4）。

圖3 上部結(jié)構(gòu)荷載示意圖（F、M為上部樓層荷載示意）

圖4 1/2梁體布置圖

2.2 梁格法的應(yīng)用

梁格法是分析橋梁上部結(jié)構(gòu)比較實(shí)用有效的空間分析方法。它不僅適用于板式、梁板式及箱梁截面的上部結(jié)構(gòu)，而且對分析彎、斜梁橋特別有效。梁格法的基本原理是以一個(gè)等效的縱向及橫向梁格來模擬橋梁的上部結(jié)構(gòu)。將分布在空間板（梁）每一區(qū)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構(gòu)件內(nèi)，而橫向剛度則集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)[1]。當(dāng)實(shí)際結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型承受相同彎矩時(shí)，兩者的撓曲將是相等的。分析此平面梁格或空間構(gòu)架就可得到實(shí)際橋梁上部結(jié)構(gòu)縱橫向內(nèi)力和變形。

在該廊橋的分析中，梁格法應(yīng)用的核心在于梁格單元的劃分和梁格截面特性的擬定。

在梁格單元?jiǎng)澐种校譃榭v向梁格劃分和橫向梁格劃分。在此例中，遵循梁格縱向劃分基本原則：即保證劃分后各工字型截面與整體截面主軸保持一致，以腹板為單位進(jìn)行劃分，從而獲得較為精準(zhǔn)的腹板受力特征。由于廊橋上部隔墻結(jié)構(gòu)較多，該橋設(shè)置了較多的橫隔板。橫向梁格根據(jù)橫隔板位置而設(shè)定，并保證與之重心重合。并且，依據(jù)箱梁理論，橫隔板設(shè)置的目的是阻止橫截面變形，限制橫截面形狀變形和扭轉(zhuǎn)共同引起的橫向彎曲畸變應(yīng)力和縱向正應(yīng)力，在一般分析中，假定橫隔板在固有平面內(nèi)是剛性的。在此例中，橫隔板及支座實(shí)體截面處剛性橫梁剛度擬定為比縱梁剛度大一個(gè)數(shù)量級，以保證有效地約束縱梁。圖5為廊橋縱梁劃分圖。

圖5 廊橋縱梁劃分圖

在梁格法中，荷載效應(yīng)的分配是以加載位置及單元間的相對剛度為依據(jù)的，而剛度取決于構(gòu)件的截面特性。故梁格單元的截面特性計(jì)算是保證計(jì)算精度的關(guān)鍵。在此分析中，根據(jù)E.C.漢勃利的梁格法理論[2]，按照以下方式來確定出構(gòu)件截面性質(zhì)：

（1）縱向單元面積等于對應(yīng)工字梁面積。

（2）抗彎剛度：單元的抗彎慣性矩為其對應(yīng)工字梁的抗彎慣性矩，計(jì)算工字梁抗彎慣性矩即可得到抗彎剛度。

（3）抗扭剛度：單元的抗扭剛度主要由構(gòu)件的頂板和底板提供。通過確定出頂、底板的扭轉(zhuǎn)慣性矩可得到抗扭剛度。

（4）抗剪剛度：通過確定單元對應(yīng)工字梁的腹板橫截面面積，可得出抗剪剛度。

2.3 計(jì)算模型

該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土變截面連續(xù)箱梁，跨徑為30 m+25 m+25 m+30 m，橋面寬度為17.6 m，箱梁為單箱雙室截面。端橫梁寬度為1.5 m，中橫梁寬度為2.5 m。

該橋?qū)⑾淞航Y(jié)構(gòu)按縱向離散為5道縱向梁格，2-4號縱梁模擬箱梁腹板，1號、5號梁格表示虛擬邊梁，主要為了模擬位于懸臂范圍內(nèi)的荷載。箱梁橫向聯(lián)系中橫隔板采用梁單元模擬，頂板及底板采用虛梁進(jìn)行模擬。圖6為橋梁Midas/Civi模型。

圖6 橋梁Midas/Civil模型

2.4 計(jì)算結(jié)果

持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算和持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算如下。

2.4.1 持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂驗(yàn)算

正截面抗裂驗(yàn)算:

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算，得到在短期效應(yīng)組合下，結(jié)構(gòu)正截面上緣、下緣混凝土的應(yīng)力包絡(luò)圖分別如圖7、圖8所示。圖中應(yīng)力單位以MPa計(jì)，正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力。表1為正截面抗裂驗(yàn)算表。

圖7 短期效應(yīng)組合正截面上緣混凝土正應(yīng)力包絡(luò)圖

圖8 短期效應(yīng)組合正截面下緣混凝土正應(yīng)力包絡(luò)圖

表1 正截面抗裂驗(yàn)算表

根據(jù)《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》（JTG D62-2004）中第 6.3.1 條[3]，正截面抗裂應(yīng)對構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，并應(yīng)該符合下列規(guī)定：

對于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下，混凝土拉應(yīng)力應(yīng)該滿足：

由表1可見，在作用短期效應(yīng)組合下，混凝土截面下緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為1.77 MPa，滿足規(guī)范要求。

2.4.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力驗(yàn)算

正截面混凝土的法向壓應(yīng)力驗(yàn)算:

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算，得到在標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下，持久狀況正截面混凝土上下緣的法向壓應(yīng)力包絡(luò)圖如圖9、圖10所示。圖中應(yīng)力單位以MPa計(jì)，負(fù)值代表壓應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力。表2為正載面混凝土的法向壓應(yīng)力驗(yàn)算表。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下，持久狀況正截面上緣混凝土法向壓應(yīng)力包絡(luò)圖

圖10 標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下，持久狀況正截面下緣混凝土法向壓應(yīng)力包絡(luò)圖

表2 正截面混凝土的法向壓應(yīng)力驗(yàn)算表

根據(jù)《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》（JTG D62-2004）中第 7.1.5 條[3]，使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的壓應(yīng)力應(yīng)該符合下列規(guī)定：

對于未開裂構(gòu)件，受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力應(yīng)滿足：

由表2可知，正截面混凝土最大壓應(yīng)力為10.10 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的16.2 MPa，滿足規(guī)范的要求。

2.4.3 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算，得到在基本組合下，結(jié)構(gòu)最不利彎矩及截面承載力包絡(luò)圖如圖11所示，圖中內(nèi)力單位以kN或kN·m計(jì)。

圖11 橋梁結(jié)構(gòu)最不利彎矩包絡(luò)圖

根據(jù)《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》（JTG D62-2004）中第 5.1.5 條[3]，構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)采用下列表達(dá)式：

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D 60-2015）中第1.0.5條[4]，該橋設(shè)計(jì)安全等級按重要大橋取為一級，計(jì)算時(shí)安全系數(shù)采用1.1。表3為正截面混凝土的法向壓應(yīng)力驗(yàn)算表。

表3 正截面混凝土的法向壓應(yīng)力驗(yàn)算表

如上所述，各截面抗力均大于最不利內(nèi)力，截面設(shè)計(jì)滿足要求。

3 結(jié)語

廊橋往往承受位置固定且數(shù)值較大的建筑荷載。本文以陜西鳳縣廊橋?yàn)槔榻B了上部為多層建筑結(jié)構(gòu)的橋梁的設(shè)計(jì)技巧和計(jì)算分析思路；并應(yīng)用梁格法對廊橋進(jìn)行有限元分析，按照相關(guān)規(guī)范，對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算。本文的論證方法和論證結(jié)果可為類似橋梁工程提供參考。

[1]邵旭東，等.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2012.

[2]E.C.漢勃利.橋梁上部構(gòu)造性能[M].北京:人民交通出版社,1982.

[3]JTG D62-2004,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[S].

[4]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

U442.5

B

1009-7716（2017）10-0058-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.017

2017-06-28

李旭升（1984-），男，山東人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。