整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)心板橋力學(xué)性能分析及設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉建達(dá)

（山西誠(chéng)達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030012）

整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)心板橋是一種常用的、成熟的橋梁上部結(jié)構(gòu)形式，其具有建筑高度較小、工程適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、整體性能較好、橫向剛度較大、施工工法方便等優(yōu)勢(shì)[1]。本文以援孟加拉國(guó)孟中友誼八橋工程引道一座1-12 m 整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)心斜板橋?yàn)槔M(jìn)行介紹。

1 設(shè)計(jì)方案概況

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查以及當(dāng)?shù)匦蚪ㄔO(shè)情況，本次設(shè)計(jì)橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1-12 m 整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)心板結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用薄壁臺(tái)[2]，鉆孔灌注基礎(chǔ)。橋梁全長(zhǎng)19.5 m，右前夾角為130°，本橋平面位于R=400 m 的左偏圓曲線上，橋面橫坡為單向-3%，縱斷面縱坡-0.61%；橋臺(tái)徑向布置。整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)心板頂寬13.4 m，板底寬11.4 m，板厚0.7 m，兩側(cè)翼緣板懸挑長(zhǎng)度1.0 m，懸臂端部厚度0.2 m，懸臂根部厚度0.4 m，依據(jù)商務(wù)部文件要求，本項(xiàng)目依據(jù)中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，汽車荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，橋面全寬為13.4 m，橋面凈寬為10.9 m，橋型布置圖見圖1（見44頁），實(shí)心板橫斷面圖見圖2。

圖1 橋型布置圖

圖2 實(shí)心板橫斷面圖

2 整體斜板橋的理論受力特點(diǎn)

簡(jiǎn)支斜板橋在受力上呈現(xiàn)如下規(guī)律[3]：

a）簡(jiǎn)支斜板橋荷載向支承邊最短距離方向傳遞分配，斜板中間的主彎矩方向和支承邊垂直，斜板邊緣的主彎矩和自由邊平行。

b）簡(jiǎn)支斜板橋縱橋向主彎矩比同跨徑的簡(jiǎn)支正交板橋小。

c）簡(jiǎn)支斜板橋縱橋向最大彎矩，會(huì)隨簡(jiǎn)支斜板橋斜交角度的增大從其跨中向鈍角位置移動(dòng)變化。

d）簡(jiǎn)支斜板橋在支座邊上的支座反力分布不均勻，鈍角處支座反力比正交板大幾倍，銳角處支座反力變小，甚至可能產(chǎn)生負(fù)反力，導(dǎo)致支座脫空[4]。

3 整體斜板橋力學(xué)性能分析

3.1 Midas Civil模型概況

由于該斜板橋的斜交角大于15°，應(yīng)按照斜交板橋進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[5]，按照斜交板的受力規(guī)律，運(yùn)用Midas Civil 軟件建立的有限元模型如圖3所示。模型采用板單元[6]模擬整體斜板橋，橋梁支座采用一般支撐進(jìn)行模擬，模型共有221 個(gè)節(jié)點(diǎn)，192 個(gè)單元。

共享經(jīng)濟(jì)的明顯優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在資金和時(shí)間上，這兩項(xiàng)不僅僅是供應(yīng)方的成本，還是需求方的成本，在降低成本的基礎(chǔ)上，平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)大大提高了資源配置的效率。

圖3 有限元模型圖

3.2 模型的計(jì)算參數(shù)

a）汽車沖擊系數(shù) 考慮沖擊作用，按車道面[7]荷載施加公路-Ⅰ級(jí)荷載。由《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》( JTG D60—2015)[8]規(guī)定，由結(jié)構(gòu)基頻計(jì)算汽車荷載的沖擊系數(shù)。

b）二期恒載 將護(hù)欄和橋面鋪裝荷載平均分配到整個(gè)橋面，折算為面荷載7.2 kN/m2。

c）間接作用 溫度作用按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)的規(guī)定取用，收縮、徐變按照《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)[9]的規(guī)定計(jì)算。

3.3 斜交板支座反力分析

斜交板結(jié)構(gòu)在荷載作用下各支座處的支反力分布不均勻，為了分析其空間受力特性并排除其他因素的影響，僅分析在恒載作用產(chǎn)生的支座反力分布情況[10]，圖4可知，鈍角處的支座反力為381.6 kN，而銳角處的支反力為12.4 kN，簡(jiǎn)支斜交板橋結(jié)構(gòu)在恒載工況下支座反力分布不均勻，其具有空間分布的受力特點(diǎn)，由銳角處支座到鈍角處支座反力呈現(xiàn)先平穩(wěn)增大，臨近鈍角處突變減小繼而再急劇增大的趨勢(shì)。

圖4 自重作用下支反力圖

3.4 斜交板內(nèi)力分析

圖5 主彎矩分布圖

正交板結(jié)構(gòu)，板內(nèi)內(nèi)力分布規(guī)律明確，斜交板結(jié)構(gòu)，板上荷載有向著支承邊的最短距離傳遞分配的趨勢(shì)，斜交板上述荷載傳遞方向?qū)е缕鋬?nèi)力分布規(guī)律較為復(fù)雜，為了分析其內(nèi)力特性并排除其他因素的影響，只研究在自重作用下的主彎矩分布規(guī)律，由圖5可知簡(jiǎn)支斜板橋中間的主彎矩與支承邊方向基本垂直，簡(jiǎn)支斜板橋邊緣的主彎矩與自由邊平行[11]。

3.5 斜交板結(jié)構(gòu)變形分析

由圖6可知，斜交板結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期效應(yīng)組合下，其變形曲面呈現(xiàn)為馬鞍形分布。最大位移變形值為3.5 mm，滿足《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 3362—2018）的要求。

圖6 位移變形曲面圖

4 整體斜板橋鋼筋布置

a）斜交板結(jié)構(gòu)順橋向、橫橋向主筋依據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，提取順橋向彎矩和橫橋向彎矩按照計(jì)算要求配置。

b）由于斜交板L/b（跨徑/支承邊長(zhǎng)度）=12/(13.4/cos40°)=0.686，L/b<1.3 時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D5所示主彎矩分布規(guī)律布筋。簡(jiǎn)支斜板橋中部主筋配置在與支承邊相垂直的方向上，簡(jiǎn)支斜板橋在靠近自由邊的局部范圍（12/cos40°）內(nèi)沿著斜跨方向布置邊部主筋[12]。

c）L/b<1.3 時(shí)，分布鋼筋應(yīng)沿平行于支承邊布置，配置于截面上緣的分布鋼筋，其沿橋軸線方向每米長(zhǎng)的數(shù)量為下緣的1/3。

d）斜交板受力狀態(tài)較復(fù)雜，內(nèi)力變化較劇烈，還應(yīng)在內(nèi)力變化劇烈和扭矩作用突出的地方增設(shè)附加鋼筋[13]。

（a）在鈍角頂面設(shè)置與鈍角平分線垂直的附加鋼筋。

（b）為抵抗扭矩，附加鋼筋在支承邊和自由邊的每邊L/5 范圍內(nèi)設(shè)置。

（c）由圖5可知，鈍角處的正彎矩平行于鈍角的角平分線，故附加鋼筋應(yīng)設(shè)置在平行于鈍角平分線的方向。

（d）由于鈍角支反力大，應(yīng)增設(shè)加強(qiáng)鋼筋。

5 結(jié)語

本文采用有限元計(jì)算和斜板橋受力的基本理論相結(jié)合的方法，通過有限元分析，得出斜交板橋的受力特性和變形規(guī)律，在今后類似工程中注意以下幾點(diǎn)：

a）整體斜交板結(jié)構(gòu)的支座選型時(shí)避免鈍角處支反力集中導(dǎo)致支座破壞，銳角處支座反力小，有脫空造成橋梁側(cè)翻的可能。

b）整體斜板結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合其內(nèi)力分布規(guī)律及變形曲面的位移規(guī)律來配筋，并應(yīng)在相應(yīng)位置設(shè)置附加鋼筋和局部加強(qiáng)鋼筋，以避免局部出現(xiàn)裂縫。