雙層預應力混凝土箱梁薄壁截面受力分析

孟天昌

摘 要：為了研究雙層預應力混凝土箱梁薄壁截面的結構受力及動力特性，本文以某跨河大橋設計為背景，結合工程實例，采用空間有限元分析軟件建立模型，分析短暫狀態和持久狀態下結構的應力分布規律及承載能力。其間通過分析計算結果，針對雙層預應力混凝土箱梁結構斷面設計中需要注意的問題提出建議，為以后類似工程設計提供參考。

關鍵詞：雙層橋;預應力混凝土箱梁;薄壁截面;有限元

中圖分類號：U441文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0100-03

Abstract： In order to study the structural force and dynamic characteristics of the thin-walled section of the double-layer prestressed concrete box girder， this paper took the design of a river-crossing bridge as the background， combined with engineering examples， and used the spatial finite element analysis software to establish the model and analyze the stress distribution law and bearing capacity of the structure in the transient state and the persistent state. In the meantime， through analysis and calculation results， suggestions are made for the problems that need attention in the design of the double-layer prestressed concrete box girder structure， thus providing reference for the design of similar projects in the future.

Keywords： double-layer bridge;prestressed concrete box girder;thin-walled section;finite element

預應力混凝土連續梁橋是目前常見的經濟性橋型之一，廣泛用于城市交通建設中。隨著我國經濟的發展，城市開發密度增加，土地資源日益稀缺，同時城市人口不斷增長，交通需求不斷提升，橋梁設計需要考慮在有限的建設空間里提高使用率，于是雙層橋成為設計師常用的一種相對較新的結構形式。雙層橋不僅減少了土地占用面積，還利用自身結構高度范圍內浪費的空間，具有空間利用率高、造型美觀、造價節約、通行安全等優點。常規雙層橋主梁結構形式有預應力混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼桁梁等，下層橋面常規采用下掛橋面板、鋼挑梁、混凝土挑梁等形式[1-3]。

對于上層機動車、下層非機動和人行的雙層橋，上層橋面采用箱梁頂板及懸挑的翼緣板，受力情況同常規連續梁橋的橋面結構受力，已經廣泛使用。下層橋面采用下掛橋面板，受力清晰，但使用過程中，上層機動車行駛造成震動較大，舒適性較差。下層橋面采用鋼挑梁形式，常規腹板內需要預埋鋼套箱，對于較大的懸挑腹板，內側對應主肋還設置肋梁來加強腹板剛度，而且鋼挑梁后續養護工序復雜。下層橋面采用混凝土挑梁，可以與主梁同步澆筑，整體性好，且混凝土挑梁剛度較大，行人通行舒適性較高，造價較低且后期養護成本低，但混凝土挑梁外伸過大，受力復雜[4-5]。本文以工程實例為背景，通過有限元軟件計算，對結構受力復雜的部位進行分析，為以后類似工程設計提供參考。

1 工程概況

某跨河大橋主橋采用三跨等截面預應力混凝土雙層連續箱梁，采用掛籃懸臂澆筑施工，跨徑組合為67 m+86 m+67 m，主梁梁高為5 m。上層為機動車道，雙向六車道，寬為24 m，下層為非機動車道和人行道，寬為4.5 m。

主梁采用單箱兩室斷面，橋面橫坡沿箱梁結構橫向變化設置。頂板懸挑長度為425 cm，端部厚度為20 cm，根部厚度為65 cm;底板懸挑長度為450 cm，端部厚度為20 cm，根部厚度為50 cm。頂板寬為2 400 cm，厚度為28 cm;底板寬為2 450 cm，厚度為28 cm;中支點處加厚為70 cm，邊支點處加厚為60 cm。跨中處腹板厚均為60 cm，中支點處加厚至120 cm，邊支點處加厚至75 cm。主梁采用三向預應力體系，均采用[ΦS]15.20 mm高強低松弛預應力鋼絞線和群錨體系，其中箱梁頂、底板橫向懸臂鋼束均采用15-3型[ΦS]15.20 mm高強低松弛預應力鋼絞線，錨下控制應力均為[σcon=0.72fpk]，對應設計的錨下張拉控制力為562.5 kN。混凝土箱梁剖面圖如圖1所示。

2 有限元模型

主橋存在薄壁和厚壁兩種標準截面，厚壁截面相對于薄壁截面對腹板和底板進行了加厚。從截面尺寸不難看出，厚壁標準段截面的剛度大于薄壁標準段截面，因此在截面抗變形驗算時選用薄壁截面進行計算。標準段框架的變形主要體現在梁頂板變形和非機動車道挑梁變形，具體的變形形態主要與車輛荷載的橫向加載位置和人群荷載的布置有關。因此，細部分析時主要集中在橫截面變形和抗裂驗算。

為消除邊界條件對計算目標構件的影響，建模時選用取的節段長度為15 m。主梁混凝土部分采用自由網格劃分，網格尺寸控制在0.3 m以內。預應力束線網格劃分尺寸控制在0.2 m以內，考慮橫向、縱向和豎向預應力束的布置并按要求模擬單端和兩端張拉。網格劃分前，使用印刻功能將車輪按最不利情況布置在梁頂面。縱橋向標準車后輪布置于有限元模型跨中位置處，橫橋向車輛荷載采用偏載布置。有限元模型中含5個標準節段，主要分析跨中節段的變形及受力，模型邊界條件為固結。計算模型及鋼束劃分單元分布如圖2所示，網格劃分及車輛荷載分布如圖3所示。

3 計算分析

下面分析研究主梁薄壁段截面在運營期最不利荷載作用下是否會發生結構破壞。主要驗算內容為正截面的法向拉壓應力和斜截面抗裂驗算。

3.1 結構變形

通過圖4可以看出，主梁薄壁標準段截面在該工況下的三向位移的最大值發生于上翼緣端部，數值為1.54 mm。在偏載車輛荷載作用下，主梁的變形形狀呈非對稱，上翼緣變形受車輛荷載影響較大。圖5為模型豎向位移圖，不難看出成橋狀態下豎向位移最大值發生在跨中節段上翼緣端部，位移值大小為1.33 mm;最小值發生于下翼緣靠近梗腋位置處，該處的位移值大小為0.76 mm。

3.2 正截面法向應力

縱橋向正截面法向拉壓應力如圖6所示。正截面最大拉應力為0.36 MPa<1.89 MPa;最大壓應力為2.07 MPa<24.4 MPa。結構縱橋向正截面的拉壓應力滿足要求。

豎向正截面法向拉壓應力如圖8所示。正截面最大拉應力為0.16 MPa<1.89 MPa;最大壓應力為1.89 MPa<24.4 MPa。結構豎向正截面的拉壓應力滿足要求。

3.3 斜截面抗裂驗算

結構抗裂驗算主要關心的數據是構件的主應力，對于現場澆筑的A類預應力構件，當斜截面主拉應力[σtp=0.5ftk]時，其滿足抗裂要求。該模型的最大主拉應力圖如圖9所示，可以看出，由于承受三向預應力的作用，箱梁應力分布復雜，不考慮錨固區局部影響，最大主拉應力為1.71 MPa>0.5×2.74 MPa=1.37 MPa。

4 結論

本文以某跨河大橋設計為背景，結合工程實例，通過有限元模型計算分析了雙層預應力混凝土箱梁框架結構的結構受力及動力特性，發現薄壁箱梁截面的剛度較小，受預應力荷載及車輛荷載作用時易發生變形。在運營期最不利的荷載作用下，通過合理設置預應力鋼束，框架結構的變形、正截面和斜截面應力基本滿足規范要求，僅局部存在斜截面拉應力超限現象，從超限應力分布圖可以看出，超限區域占總體積的比重較小，車輪荷載的偏載作用對豎向預應力產生的腹板頂緣的拉應力超限區域有加劇的作用。以后同類工程設計可參考本文，雙層預應力混凝土箱梁薄壁截面設計要合理設置頂、底層橫向應力，同時腹板內豎向預應力有很重要的作用，薄壁截面各梗腋連接處宜加強普通鋼筋的布置，防止拉應力局部超限而導致混凝土結構開裂。

參考文獻：

[1]住房和城鄉建設部.城市橋梁設計規范：CJJ 11—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]交通運輸部.公路橋涵設計通用規范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3]交通運輸部.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG D62—2018[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001：72-73.

[5]鄭為明.活載作用下雙層部分斜拉箱梁橋有限元分析[J].福州大學學報（自然科學版），2005（5）：649-653.