斜交轉(zhuǎn)正交異形箱梁設(shè)計(jì)

韓 鋒

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原030006）

1 概述

隨著高速公路網(wǎng)的密集化，擬建主線往往上跨或下穿被交路，且主線與被交路斜交的情況時(shí)有發(fā)生。設(shè)計(jì)希望大多數(shù)結(jié)構(gòu)都采用正交形式，使結(jié)構(gòu)受力更明確、橋梁整體造型更簡(jiǎn)潔、與周?chē)h(huán)境更協(xié)調(diào)、造價(jià)也更為經(jīng)濟(jì)[1]。當(dāng)橋梁跨越各種斜交角度的道路、河流、管線等必須斜置時(shí)，因橋梁較長(zhǎng)全橋采用斜置布置不盡合理，特別是斜交角很大時(shí)，顯得雜亂而繁冗，美觀性差，而采用正交加大跨徑的方式往往也存在諸多不足[2]。通過(guò)調(diào)整梁長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出裝配式異形跨橋梁，能夠?qū)⑿苯粯蚋臑檎粯颍蚨鞭D(zhuǎn)正橋梁給工程設(shè)計(jì)提供了一個(gè)思路。

2 工程概況

廟背大橋位于汕（頭）湛（江）高速公路云浮至湛江段及支線工程第TJ1合同段，為跨越廣茂鐵路和新興江而設(shè)，跨徑組合及布置受廣茂鐵路和新興江防洪控制。大橋采用整體式路基分幅設(shè)計(jì)，左幅上部結(jié)構(gòu)采用（3×30）m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁+（20+9×30）m先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)小箱梁；右幅上部結(jié)構(gòu)采用（3×30）m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁+（30+2×25+7×30）m先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺(tái)，全橋最大墩高為22.2 m，基礎(chǔ)采用灌注樁基礎(chǔ)。

大橋平面位于直線段內(nèi)，左、右幅第1～3孔采用斜交斜做，前右角度為55°，墩臺(tái)采用徑向偏轉(zhuǎn)布置；其余橋孔為斜交正做，前右角度為90°，墩臺(tái)采用徑向布置；左、右幅第2孔為跨三茂鐵路橋孔，與鐵路的交叉角度為53.19°。第4孔為異形跨，為斜交斜做跨線橋和正交橋的過(guò)渡跨，一端為斜交，一端為正交，這種形式布梁方式在公路橋上較少見(jiàn)，本文對(duì)其單獨(dú)計(jì)算研究。大橋橋位平面布置見(jiàn)圖1所示。

圖1 橋位平面布置見(jiàn)圖

為了滿(mǎn)足橋下凈空不小于8.2 m的要求，且一聯(lián)長(zhǎng)度又不至于過(guò)短，將左右幅第4孔確定為異形跨。異形跨采用斜轉(zhuǎn)正形成梯形平面結(jié)構(gòu)，采用與正交跨一致的裝配式組合箱梁結(jié)構(gòu)，并采用先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)形式。異形跨最長(zhǎng)邊30 m，最短邊20 m，梁高及斷面與正交跨箱梁一致，僅跨徑方向要調(diào)整梁長(zhǎng)。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 梁長(zhǎng)計(jì)算

異形跨平面位于直線段上，小樁號(hào)側(cè)前右?jiàn)A角55°，大樁號(hào)側(cè)前右?jiàn)A角90°，左右幅各片梁梁長(zhǎng)均有差異，由短到長(zhǎng)依次為主梁1、主梁2、主梁3、主梁4。表1列出了各片梁的理論長(zhǎng)度與預(yù)制長(zhǎng)度，可以看出最長(zhǎng)的梁為右幅1號(hào)梁，預(yù)制梁長(zhǎng)28.581 m，最短梁為左幅4號(hào)梁，預(yù)制梁長(zhǎng)為21.241 m。

表1 異形跨梁長(zhǎng)參數(shù)表mm

圖2 異形跨主梁平面布置圖

3.2 荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算

異形跨為簡(jiǎn)支跨，可采用單梁模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但其一端為斜交，另一端為正交，各梁的長(zhǎng)度不一致，各預(yù)制梁均需單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，整體計(jì)算所用單梁模型如圖3a。為求得各梁橫向分布系數(shù)，建立了整橋?qū)嶓w有限元模型如圖3b，其中實(shí)體單元35 568個(gè)，節(jié)點(diǎn)47 714個(gè)，其斷面網(wǎng)格劃分如圖3c所示。

圖3 計(jì)算采用的模型

3.2.1 加載工況（實(shí)體模型）

為求得各梁的橫向分布系數(shù)，按照該梁受力最大的原則進(jìn)行車(chē)道荷載的橫向布置[3]，如圖4所示。由于各梁長(zhǎng)度不同，將所加荷載分為集中力和均布力工況兩種情況，其中集中力取值為100 kN，作用于各梁跨中；縱橋向均布力取值為5 kN/m，通過(guò)剛度很小的虛擬梁進(jìn)行加載。

圖4 實(shí)體模型荷載加載工況（單位：cm）

3.2.2 橫向分布系數(shù)

按照各主梁跨中下緣應(yīng)力分布情況，確定出各主梁的橫向分布系數(shù)，見(jiàn)表2、表3，其中1號(hào)梁為短邊梁，4號(hào)梁為長(zhǎng)邊梁，2號(hào)梁為短中梁，3號(hào)梁為長(zhǎng)中梁。由表3可見(jiàn)1號(hào)梁橫向分布系數(shù)最大值為0.77，2號(hào)梁為 0.68，3號(hào)梁為 0.68，4號(hào)梁為 0.73。可見(jiàn)，在其他條件相同的情況下，短邊的荷載橫向分布系數(shù)是大于長(zhǎng)邊的[4]。利用單梁模型進(jìn)行整體計(jì)算時(shí)，可統(tǒng)一取邊梁橫向分布系數(shù)為0.8，中梁為0.7。

表2 利用集中力求得的橫向分布系數(shù)

表3 利用均布力求得的橫向分布系數(shù)

3.3 靜力計(jì)算結(jié)果

3.3.1 主要材料及荷載取值

3.3.1.1 一期恒載

a）一期恒載材料密度取值 預(yù)應(yīng)力混凝土26 kN/m3；鋼筋混凝土26 kN/m3；瀝青混凝土24 kN/m3；鋼材 78.5 kN/m3。

b）混凝土收縮和徐變 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》（JTG D62—2004）取值。

3.3.1.2 二期恒載

a）邊梁分配的縱縫重1.62 kN/m；

由田間調(diào)查表（1）可見(jiàn)，處理前期發(fā)苗較慢，6月15日和29日調(diào)查較對(duì)照低0.49cm和2.2cm;而7月11日調(diào)查看較對(duì)照高出21.1cm，說(shuō)明后期長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，說(shuō)明與秸稈腐熟發(fā)揮肥效有關(guān)。另有通過(guò)對(duì)照與處理地上部植株干鮮重稱(chēng)量來(lái)看，對(duì)照6月15日和29日測(cè)鮮重和干重分別高于處理，鮮重高 13.2g和17.75g，干重高 0.29g和1.79g；而到 7月11日測(cè)量處理的干重和鮮重均高于對(duì)照；干重高0.4g，鮮重高1.8g。

b）中梁分配的縱縫重3.24 kN/m；

c）邊梁分配的調(diào)平層重6.97 kN/m；

d）中梁分配的調(diào)平層重7.97 kN/m；

e）邊梁分配的鋪裝重7.08 kN/m；中梁分配的鋪裝重8.1 kN/m；

f）邊梁承擔(dān)的欄桿重13 kN/m。

3.3.1.3 預(yù)應(yīng)力荷載

3.3.1.4 溫度梯度

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）施加，其中T1=14℃，T2=5℃。

3.3.1.5 設(shè)計(jì)活載

按照《廣東省高速公路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化指南》（送審稿-中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司-2014年3月）第4.3.1.2條第4款中指出：30 m跨徑以下車(chē)道荷載效應(yīng)放大1.285倍（1.8/1.4=1.285）。

3.3.2 箱梁靜力計(jì)算

箱梁按照A類(lèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用Midas 2015有限元程序考慮多種工況組合進(jìn)行計(jì)算與校核，進(jìn)行了成橋狀態(tài)下恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、支座強(qiáng)迫位移、風(fēng)荷載、溫度變化等作用的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表4 箱梁主要驗(yàn)算指標(biāo)表MPa

3.3.3 抗彎承載力計(jì)算

主梁抗彎驗(yàn)算通過(guò)PSC驗(yàn)算，主筋布置按照?qǐng)D紙輸入，且支點(diǎn)斷面加強(qiáng)筋范圍不包括錨固長(zhǎng)度，圖5為主梁1和主梁4的抗彎承載力包絡(luò)圖，可以看出各截面均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。

圖5 邊梁抗彎承載力包絡(luò)圖（單位：kN·m）

3.3.4 抗剪承載力計(jì)算

主梁抗剪驗(yàn)算通過(guò)PSC驗(yàn)算，加密區(qū)箍筋為4φ10@100 mm，非加密區(qū)箍筋為4φ10@200 mm，受拉鋼筋距截面邊緣距離as為45 mm，截面有效高度h0=1 555 mm，圖6為主梁1和主梁4的抗剪承載力包絡(luò)圖，可見(jiàn)各截面均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一座預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，闡述預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁的受力特征，利用實(shí)體有限元模型得出了小箱梁荷載橫向分布系數(shù)，通過(guò)單梁模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，驗(yàn)算結(jié)果表明本橋各驗(yàn)算指標(biāo)均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、合理。本橋的設(shè)計(jì)對(duì)于預(yù)制斜轉(zhuǎn)正類(lèi)型橋梁的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定借鑒作用。

圖6 邊梁抗剪承載力包絡(luò)圖（單位：kN）