基于空間梁格法的大跨度變寬魚腹式箱梁受力分析

樊星辰，岳仁輝

(合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

合肥市二環路是合肥市一條重要的環線道路，是眾多車輛進出合肥市區的必經之路。我公司負責設計的北二環(西二環至合武鐵路段)，全長約5.0 km，道路紅線70 m，局部紅線寬60 m。作為貫穿東西向城市快速路，北二環高架橋的景觀效果要求高。上部結構采用底板為弧線的魚腹式箱梁，下部結構為柱式花瓶墩，既保證橋梁結構安全，同時營造動感輕盈的視覺效果。

上跨森景大道聯采用(35+50+35)m魚腹式變高變寬預應力混凝土連續箱梁。梁高2.2～3 m，梁寬43.591～31.459 m，鋪裝層為10 cm厚瀝青混凝土+8 cm厚混凝土調平層。

本聯為變高變寬結構，變寬比12.132 m/120 m，通過各箱室變寬實現本聯結構寬度變化。由于箱室尺寸存在差異，各腹板的分配荷載不同。目前橋梁設計人員仍普遍采用單梁建模法，通過調節偏載系數(通常取1.15)進行類似結構設計和驗算。這種經驗性的估算系數存在一定的弊端：要么結構冗余度過大造價增加，要么結構安全儲備不足。

為了較為準確模擬箱梁各腹板受力情況，本文以該聯為對象進行精細化分析計算。

1 橋梁模型

最新版《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(以下簡稱《公預規》)提出，變寬等復雜橋梁結構可采用實體有限元或實用精細化分析模型計算。實體單元建模分析結果更加真實，但建模、計算效率低，與現行規范結合度差等不足使得其在橋梁設計領域難以大規模應用。梁格法兼顧了建模效率和結果可靠性，較為廣泛應用在橋梁工程中。

采用大型通用有限元軟件midas civil建立空間梁格有限元模型如圖1所示。按照部分預應力A類構件設計，全橋共計1 865個單元，1 866個節點。計算荷載包括：結構自重、整體升降溫、梯度溫差、城-A活載、支座沉降、二期荷載。

圖1 梁格法有限元模型示意圖

2 承載能力極限狀態強度驗算

選取1#邊腹板和5#中腹板作為縱向計算代表構件，驗算結果如圖2、圖3所示，中腹板根部最大內力為33 547.2 KN·m，跨中最大內力為24 473.6 KN·m；邊腹板根部最大內力為46 445.8 KN·m，跨中最大內力為26 201.1 KN·m。邊中腹板內力分配比例約為1.38～1.07。

圖2 正截面抗彎承載力驗算圖(中腹板)

圖3 正截面抗彎承載力驗算圖(邊腹板)

3 持久狀況正常使用極限狀態抗裂驗算

驗算結果如圖4～圖7所示，中腹板短期組合下最大拉應力值0.29 MPa，邊腹板短期組合下最大拉應力值0.37 MPa，均出現在邊跨邊墩附近區域；中腹板和邊腹長期組合下均未出現拉應力。結果均滿足最新《公預規》6.3.1條要求。

圖4 短期效應組合抗裂驗算圖(中腹板)

圖5 短期效應組合抗裂驗算圖(邊腹板)

短期和長期組合中截面上緣應力分布較均勻，下緣由于截面變高導致應力差較大。邊腹板較中腹板應力絕對值較大，即相同配束情況下中腹板的安全冗余度較高。

圖6 長期期效應組合抗裂驗算圖(中腹板)

圖7 長期效應組合抗裂驗算圖(邊腹板)

3 持久狀況壓正常使用極限狀態壓應力驗算

驗算結果如圖8～圖9所示，標準組合下中腹板最大壓應力15.1 MPa，邊腹板最大壓應力15.2 MPa，均出現在中墩附近區域。結果均滿足最新《公預規》7.1條要求。

圖8 標準組合下壓應力驗算圖(中腹板)

圖9 標準組合下壓應力驗算圖(邊腹板)

4 結 語

本文通過建立精細化梁格模型，并結合活載影響面加載方式，對魚腹式變寬變高連續箱梁的各縱橫構件進行設計分析。經計算分析得到如下結論。

(1)由于車道荷載分布、箱梁剪力滯效應及箱梁自重分布等影響，各腹板的內力分布不同，類似寬跨比較大的魚腹式箱梁應進行精細化建模分析驗算。

(2)魚腹式箱梁邊腹板分配內力相對中腹板大，工程設計中宜適當增大邊腹板鋼束數量。

(3)魚腹式箱梁邊腹板與中腹板內力分配比約為1.37～1.05(均值約1.21)。為提高設計效率，可采用單梁建模計算類似結構，但宜提高偏載系數值，以保證適當的結構安全儲備。