PC連續(xù)梁匝道橋異形橫梁的結(jié)構(gòu)受力分析

張海龍

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

匝道橋梁是城市立交的重要組成部分。由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，匝道橋上部結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力特性與傳統(tǒng)直梁橋不同[1-3]。橫梁是匝道橋的重要傳力構(gòu)件。通常情況下，主梁將所有荷載通過剪力的形式傳遞給橫梁，橫梁將所受荷載傳遞給支座。但是當(dāng)建設(shè)環(huán)境受限時(shí)，某些情況下匝道橋必須設(shè)置異形橫梁。異形橫梁的支座不再位于主梁底部，而是位于距主梁的兩側(cè)一段距離，橫梁承受彎曲-剪切耦合效應(yīng)明顯，主梁與橫梁結(jié)合處應(yīng)力集中問題突出，橫梁剛度與主梁動(dòng)力特性存在耦合效益。由此可見，異形橫梁的受力方式較普通橫梁有較大差異。因此，有必要采用精細(xì)化的實(shí)體模型進(jìn)行異形橫梁的靜、動(dòng)力分析，從而為該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

合肥市某工程B匝道橋第二聯(lián)，見圖1，平面位于圓曲線上，圓曲線半徑R=170m。上部結(jié)構(gòu)為P C連續(xù)箱梁，共3跨，為3×30m。橋面布置為：0.5m（護(hù)欄）+7.5m（車行道）+0.5m（護(hù)欄）=8.5m，橋面橫坡為2%的單向橫坡，主梁和橫梁混凝土采用C50。橋墩為圓形橋墩，受到橋下道路位置影響，B04橋墩處采用異形橫梁。

圖1 匝道橋平面（單位：cm）

2 模型建立

采用ABAQUS對(duì)主橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元分析。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用117 284個(gè)C3D4實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束用2 888個(gè)T2D2單元模擬，采用節(jié)點(diǎn)耦合法模擬預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土箱梁的相互作用。使用“降溫法”賦予預(yù)應(yīng)力束的初應(yīng)變來模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)[4]。幾何模型及有限元模型見圖2。

圖2 具有異形橫梁的實(shí)橋分析模型

3 有限元分析結(jié)果

3.1 橫梁應(yīng)力分析

車道荷載的集中力作用于橫梁，均布荷載作用于橫梁兩側(cè)的跨徑，并綜合考慮支座沉降、溫度、混凝土收縮的最不利組合作用。橫梁應(yīng)力分析結(jié)果見圖3。圖3（a）為橫梁結(jié)合部正應(yīng)力分布云圖。其中橫梁的最不利截面上全截面受壓，最大壓應(yīng)力為8.78MPa，最小壓應(yīng)力為2.19MPa，不發(fā)生正截面開裂。圖3（b）為橫梁結(jié)合部主拉應(yīng)力分布云圖。其中最大主拉應(yīng)力為1.28MPa，位于橫梁與主梁的交界面附近，略高于規(guī)范值。此處為主梁傳遞給橫梁的剪力產(chǎn)生的效果，建議加強(qiáng)橫梁與主梁結(jié)合部的箍筋配置。圖3（c）為橫梁主壓應(yīng)力分布云圖。其中最大值為12.7MPa，位于主梁翼緣板邊緣與橫梁交界處，此處為應(yīng)力集中區(qū)域。設(shè)計(jì)中建議增設(shè)倒角緩解應(yīng)力集中。

圖3 橫梁應(yīng)力分析（單位：Pa）

3.2 主梁應(yīng)力分析

主梁應(yīng)力分析采用的荷載效應(yīng)與橫梁應(yīng)力分析相同。圖4（a）為主梁結(jié)合段的正應(yīng)力云圖。計(jì)算分析表明，在與橫梁結(jié)合段的主梁全截面受壓，其負(fù)彎矩區(qū)域的截面未消壓，其最小壓應(yīng)力數(shù)值為0.20MPa，混凝土不會(huì)開裂。圖4（b）為主梁結(jié)合段主拉應(yīng)力云圖，最大拉應(yīng)力為1.23MPa，略高于規(guī)范限值，建議增加配筋。圖4（c）為主梁結(jié)合段主壓應(yīng)力云圖，最大主壓應(yīng)力為12.6MPa，符合規(guī)范要求。圖4（d）為結(jié)合段預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力為1 013MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 動(dòng)力性能分析

圖4 主梁應(yīng)力分析（單位：Pa）

圖5 宿松路橋上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能

從圖5可知，異形橫梁對(duì)主梁的二階和四階振型產(chǎn)生影響較大。異形橫梁在一階振型只產(chǎn)生整體扭轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生彎曲，這與普通橫梁的變形方式相同，可以認(rèn)為異形橫梁對(duì)一階振型不產(chǎn)生影響，而影響橋梁動(dòng)力性能的主要是一階振型，所以說，異形橫梁對(duì)橋梁的動(dòng)力性能不產(chǎn)生影響。計(jì)算結(jié)果表明，該橋的豎向振動(dòng)基頻為5.45 H z。沖擊系數(shù)為：滋＝0.1767 l n5.45-0.0157=0.283。

4 結(jié)語

（1）采用異形橫梁的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋各項(xiàng)驗(yàn)算基本滿足規(guī)范要求。

（2）建議在主梁翼緣與橫梁之間設(shè)置倒角，以削弱應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）異形橫梁不影響主梁的一階振型，但對(duì)主梁的二階和四階振型產(chǎn)生影響，異形橫梁對(duì)沖擊系數(shù)值不構(gòu)成影響。