橋梁交接墩蓋梁計算與優化分析

張 斌

（福州市規劃設計研究院， 福州 350000）

0 引言

蓋梁是橋梁承上啟下的重要結構，上部結構荷載通過蓋梁傳遞給下部結構和基礎。因影響蓋梁內力的因素很多，如：橋梁跨徑、寬度、斜交角度等，所以很難完全套用標準圖或通用圖[1]，必須要建模計算分析，因此，蓋梁建模的理論與思路，在整個計算過程中尤為重要。

蓋梁作為受彎、受剪結構，設計控制內力一般為墩頂負彎矩、跨中正彎矩以及橋墩位置剪力。對于蓋梁的設計荷載，其恒載主要來自主梁自重及橋面系荷載；對于活載而言，橫向活載，主要考慮單列車、雙列車、多列車的對稱及非對稱等情況，按蓋梁位置反力影響線加載，獲得最大支反力；縱向活載，過渡墩蓋梁按考慮本聯布載考慮，對于橋梁的交接墩蓋梁，其傳統計算方法，通常考慮A 聯（A 孔）、B 聯（B 孔）按獨立布載而后疊加，這種理論認為：A 聯（A 孔）、B 聯（B 孔）不相關聯，分別用各自反力影響線求出交接墩位置的最大支反力值后再疊加（詳見圖1.1 力學圖解1），然后分析蓋梁內力，但根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）中對車道荷載的解釋，車道荷載中均布荷載標準值Qk 為描述橋梁結構效應的自然堵塞的車隊模型荷載，而車道荷載中的集中荷載（Pk）為描述運煤車等重車模型荷載，如果按A 聯（A 孔）、B 聯（B 孔）不相關考慮，則說明有兩個重車同時作用在交接墩蓋梁上，這種情況在橋梁實際運

營時，是不會出現的。這種計算方法雖安全但過于保守，不僅不利于蓋梁結構尺寸的制定，也會造成材料浪費，不僅影響橋下空間及通透性，也與尋找設計臨界點的科學精神相違背。

圖1.1 力學圖解1

有鑒于此，本文提出了兩種優化計算方法，優化計算方法一（A 聯B 聯雙聯疊加加載計算方法）：因A 聯B 聯橋面連續，可把前后兩聯當成一整聯，即把交接墩蓋梁當成過渡墩蓋梁計算（詳見圖1.2 力學圖解2）。

圖1.2 力學圖解2

圖1.3 力學圖解3

優化計算方法二（A 聯B 聯雙聯非疊加加載）：仍把前后聯分開計算，但考慮車道荷載的集中荷載Pk 的作用長度，把車道荷載的集中荷載Pk 作用位置由傳統計算的蓋梁位置，轉移到車輛的實際重心位置。（詳見圖1.3 力學圖解3，Pk 的作用長度參考《通規》中車輛荷載長度12.8 米，整車重心到后輪長度為5.0 米）。

1 工程概況

國道G316 線長樂漳港至營前段項目A1 合同段，主線主路左幅1 號橋，全長1562 米，雙幅設計，單幅寬度17 米，上部結構形式為：預制小箱梁和現澆預應力砼連續箱梁，下部結構形式：蓋梁柱式墩和花屏墩，為橋臺處設D80 型伸縮縫，交接墩處設D160 型伸縮縫，本文取第十五聯（3x35 米=105米，橋墩號ZⅠ51～ ZⅠ54）預應力混凝土簡支變連續小箱梁和第十六聯（3x35米=105 米，橋墩號ZⅠ54～ ZⅠ57）預應力混凝土簡支變連續小箱梁為研究對象，小箱梁高度為1.8 米，橫向布置6 片，交接墩蓋梁高度1.8 米，寬度2.0米，懸臂寬度5.4 米，雙柱墩間距4.8 米（詳見圖2.3 單幅橫斷面）（因為要考慮到橋下凈空和高架橋整體通透性等因素，本工程蓋梁采用大懸臂預應力蓋梁，本文只分析比較在三種計算理論下的蓋梁內力）。

圖2.3 單幅橫斷面

2 有限元模型分析

本文采用MIDAS/CIVIL 有限元軟件，比較分析了橋梁交接墩蓋梁（詳見圖3.1 交接墩蓋梁模型），在傳統計算方法與優化計算方法一和優化計算方法二下的作用相應與內力差異。

荷載采用公路I 級荷載，按傳統計算方法，交接墩蓋梁位置活荷載最大支反力為863.2Kn*2（分別考慮第十五聯預應力混凝土小箱梁、第十六聯預應力混凝土小箱梁，交接墩處最大支反力再疊加）按優化計算方法一，交接墩蓋梁位置活荷載最大支反力為1000.7 Kn *1（把第十五聯、與第十六聯按整體考慮）,按優化計算方法二，交接墩蓋梁位置活荷載最大支反力為501.2 Kn *2（分別考慮第十五聯、第十六聯，同時考慮重型車的作用長度）

三種計算模式下交接墩蓋梁最大彎矩（跨中位置）比較分析（詳見圖3.1 橋墩交接墩蓋梁跨中正彎矩圖），傳統計算方法為2120.9Knm，優化計算方法一為 1229.4Knm，優化計算方法二為1231.5Knm，結算結果表明：采用優化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優化計算方法一減少到傳統計算方法的57.9%，優化計算方法一減少到傳統計算方法的58.1%。

圖3.1 橋墩交接墩蓋梁跨中正彎矩圖

三種計算模式下交接墩蓋梁最小彎矩（橋墩位置）比較分析（詳見圖3.2 橋墩交接墩蓋梁墩頂負彎矩圖），傳統計算方法為10099.4Knm，優化計算方法一為 5854.1Knm，優化計算方法二為5864.3Knm，結算結果表明：采用優化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優化計算方法一減少到傳統計算方法的58.0%，優化計算方法一減少到傳統計算方法的58.2%。

圖3.2 橋墩交接墩蓋梁墩頂負彎矩圖

三種計算模式下，交接墩蓋梁最大剪力（橋墩位置）比較分析（詳見圖3.3 橋墩交接墩蓋梁最大剪力圖），傳統計算方法為3553.5Kn，優化計算方法一為 2059.8Kn，優化計算方法二為2063.3Kn，結算結果表明：采用優化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優化計算方法一減少到傳統計算方法的58.0%，優化計算方法一減少到傳統計算方法的58.1%。

圖3.3 橋墩交接墩蓋梁最大剪力圖

三種計算模式下，交接墩蓋梁最小剪力（橋墩位置）比較分析（詳見圖3.4 橋墩交接墩蓋梁最小剪力圖），傳統計算方法為3553.5Kn，優化計算方法一為 2059.8Kn，優化計算方法二為2063.3Kn，結算結果表明：采用優化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優化計算方法一減少到傳統計算方法的58.0%，優化計算方法一減少到傳統計算方法的58.1%。

圖3.4 橋墩交接墩蓋梁最小剪力圖

3 計算結果分析

通過第3 節的數據結果可知：采用兩種優化設計方法，可以顯著的降低交接墩蓋梁內力，減少幅度約在40%左右。

傳統計算方法，偏保守

從數據上看，傳統計算方法較兩種優化計算方法要保守的多，計算結果基本上是兩種優化計算方法的1.7 倍左右。采用這種方法分析計算，往往橋梁交接墩位置的蓋梁要比過渡墩的蓋梁內力要大的多。

從橋梁縱向行車整體因素來考慮，這是不應該的。而且用傳統的計算方法出來的交接墩蓋梁，因內力較大，往往導致尺寸較大，同時也要提高相應橋墩直徑和樁基直徑，對下部結構的計算結果影響很大。

優化計算方法一，計算結果合理

優化計算方法一，利用交接墩蓋梁在相鄰兩聯位置行車橋面連續性質，按一整聯的整體考慮，從車道荷載的布置方式表達上，把交接墩蓋梁當成過渡墩蓋梁，與實際蓋梁受力相符，能更準確的表達出蓋梁的受力狀態，更真實的表達出蓋梁的真實受力，更能趨于蓋梁的受力臨界極限。確實能夠優化交接墩蓋梁內力。按這種方法計算的交接墩蓋梁尺寸與過渡墩蓋梁尺寸相近。

優化計算方法二，計算結果合理

優化計算方法二，是在傳統計算方法上的優化，不僅把相鄰兩聯分開考慮，同時考慮到重型車作用長度，不讓前后兩個重型車在交接墩位置重疊布載，解決了傳統計算方法的簡單羅列疊加，與橋梁實際運營情況相符且保守，不僅能滿足蓋梁的內力設計需求，也可以高效細化蓋梁尺寸，優化橋下空間。

優化計算方法一采用“合并”整聯的影響線加載，計算方法二采用固定局部荷載、集中荷載加載方式，兩者計算結果都與相鄰兩聯的跨徑有關，通過細化研究表明：在相鄰兩聯跨徑都減小的情況下，優化計算方法一計算結果較優化計算方法二計算結果更接近設計臨界值。

4 結語

本文以國道G316 線長樂漳港至營前段項目A1 合同段，主線主路左幅1號橋，第十五聯和第十六聯交接墩蓋梁為依托，用Midas/civil 進行有限元分析，有結果如下：

（1）優化計算方法一和優化計算方法二的計算結果較傳統計算方法計算結果優化交接墩蓋梁內力約40%。

（2）三種計算模式下，橋梁交接墩蓋梁的設計內力大小關系為：優化計算方法一＜優化計算方法二＜傳統計算方法，且優化計算方法一隨著跨徑減小而減小的趨勢比優化方法二更為明顯。