大跨度混合梁連續剛構橋0號塊空間受力分析

楊 康 王 通 鄭招仁

(1.中交二航局第四工程有限公司 蕪湖 241000； 2.浙江舟山北向大通道有限公司 舟山 316000)

連續剛構橋是將主梁與主墩固結的結構體系，墩頂0號塊因其構造與受力復雜，往往是設計中予以重點關注的部位[1]。0號塊具有梁體高、空間構造復雜，且縱向、橫向、豎向預應力管道布置密集、普通鋼筋密集等特點。若僅用平面桿系模型計算往往與實體模型分析結果存在較大差異，受力呈現出復雜的三維應力狀態[2]。為避免0號塊施工過程及運營階段出現開裂，需對其進行空間受力分析。

1 工程概況

北通航孔橋跨徑布置為125 m+260 m+125 m=510 m，中跨跨中采用85 m鋼箱梁，為節段拼裝混合結構的連續剛構橋，總體布置見圖1。

圖1 北通航孔橋總體布置圖(單位：cm)

主梁采用節段預制拼裝工藝，主墩墩頂0號塊采用現澆施工，全橋共劃分為74個節段。主梁采用單箱單室變高度預應力混凝土箱梁，箱梁采用 C55 混凝土，主墩采用C50混凝土，頂板設2%單向橫坡，箱梁底板下緣保持水平。單幅箱梁寬度12.55 m，箱梁懸臂長度2.95 m，底板寬5.50 m。主梁在墩梁固結墩頂處設置 2.5 m 厚橫梁，與雙肢矩形墩等厚。箱梁梁高為4.0～13.3 m，梁高及底板厚度按1.6次拋物線變化。主梁采用縱、橫、豎向三向預應力體系，縱向按全預應力設計，橫向按A類構件設計，0號塊詳細構造見圖2。

圖2 0號塊構造(單位：cm)

2 有限元模型建立

2.1 建立整體計算模型

運用midas Civil建立全橋有限元模型，共計235個節點，216個梁單元，整體計算模型見圖3。主梁和主墩均采用梁單元模擬，主墩的頂部與箱梁采用剛性連接，橋墩按固結考慮，邊跨支座按實際約束方向一般支撐考慮[3]。

圖3 北通航孔橋整體計算模型

2.2 建立局部分析模型

利用midas FEA專業軟件建立0號塊局部模型，依據圣維南原理將1號塊及主墩作為分析對象。混凝土和預應力鋼束分別采用實體單位及鋼筋單元模擬，局部模型考慮了結構自重、二期恒載、活載及其他部分對1號塊的作用力。網格劃分后，在1號塊左右截面形心處分別建立主節點，建立主節點與該截面其余節點的剛性連接，墩底按固結處理，同時以整體計算模型中的1號塊斷面內力作為局部模型的外力邊界條件[4]，0號塊局部有限元模型及三向預應力鋼束布置圖見圖4。

圖4 0號塊局部計算模型及三向預應力布置圖

考慮施工階段及運營階段的荷載均不同，本文選取4種最不利工況進行計算[5]，組合見表1 。

表1 最不利工況及荷載組合

根據上述驗算組合，將表1中的2、3、4工況提取內力計算值施加在1號塊左右截面形心處，各工況下1號塊作用荷載取值見表2。

表2 不同工況下1號塊作用荷載取值

3 計算結果

3.1 0號塊澆筑工況計算結果

為改善0號塊澆筑因水化熱作用產生裂縫，有必要對澆筑方式合理優化，在原方案的基礎上，考慮施工便利及成本控制等因素，提出2種優化方案，不同澆筑方案比較見表3。

表3 不同澆筑方案比較

原方案中腹板外側主拉應力為1.85～2.5 MPa，優化方案一腹板外側主拉應力均為1.5～1.75 MPa，優化方案二腹板外側主拉應力均為1.6～1.75 MPa，結合施工實際需求，推薦優化方案一作為實際澆筑方案。方案一在原方案的基礎上調整施工縫，進而滿足受力及現場需要。不同澆筑方案水化熱產生的腹板應力見圖5。

圖5 不同澆筑方案水化熱產生的腹板應力

由圖5可見，方案一較原方案腹板主拉應力下降幅度20%～30%。因此，施工中應嚴格控制混凝土入模溫度并采取必要的降溫措施，避免混凝土結構產生溫度裂縫。

3.2 最大懸臂狀態下計算結果

根據JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第7.2.8條規定，預應力混凝土受彎構件[6]，在預應力和構件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力應符合以下規定。

1) 壓應力

2) 拉應力

最大懸臂狀態下頂板法向應力見圖6。

圖6 最大懸臂狀態下0號塊頂板法向應力云圖

由圖6可見，0號塊頂板全部受壓，計算結果顯示最小壓應力為1.54 MPa，最大壓應力為18.6 MPa，滿足規范要求。

底板法向應力云圖見圖7。

圖7 最大懸臂狀態下0號塊底板法向應力云圖

由圖7可見，最在懸臂狀態下，0號塊底板法向應力最小壓應力為0.52 MPa，最大壓應力為20.3 MPa，最大壓應力出現在0號塊人孔位置處，總體滿足規范要求。

3.3 最大負彎矩工況下計算結果

根據JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第6.3.1條規定，預應力混凝土受彎構件應進行正截面和斜截面抗裂驗算。

最大負彎矩工況下頂板法向應力見圖8。

圖8 最大負彎矩工況下0號塊頂板法向應力云圖

由圖8可見，最小壓應力為0.56 MPa，最大壓應力為12.3 MPa，滿足規范要求。

底板法向應力云見圖9。

圖9 最大負彎矩工況下0號塊底板法向應力云圖

由圖9可見，最小壓應力為0.42 MPa，最大壓應力為15.3 MPa，符合JTG 3362-2018第7.15條規定，受壓區混凝土的最大壓應力，未開裂構件σkc+σpt≤ 0.5fck=17.75 MPa，總體滿足規范要求。

最大負彎矩工況下0號塊腹板主應力云圖見圖10。由圖10a)可見，腹板外側主拉應力均小于1.65 MPa，但主拉應力超標區域主要表現在腹板與橫隔板倒角位置及底板部分區域，最大主拉應力為2.89 MPa，總體而言，超標區域不大。由圖1b)可見，最大主壓應力為15.6 MPa，總體處于受壓狀態。

圖10 最大負彎矩工況0號塊腹板主應力云圖

3.4 最大剪力工況下計算結果

選擇0號塊區域頂、底板進行法向應力驗算，頂板法向應力云圖見圖11。

圖11 最大剪力工況下0號塊頂板法向應力云圖

由圖11可見，頂板區域全截面受壓，最小壓應力為0.34 MPa，最大壓應力為23.4 MPa，總體應力水平均滿足規范要求。

在最大剪力工況下底板法向應力云圖見圖12。

圖12 最大剪力工況下0號塊底板法向應力云圖

由圖12可見，底板全截面受壓且最小壓應力為0.85 MPa，最大壓應力為10.4 MPa，均滿足規范要求。

最大剪力工況下腹板主拉壓應力云圖計算結果顯示見圖13。由圖13可見，腹板外側主拉應力均小于1.03 MPa，超標區域主要在腹板內側與各板與頂板倒角位置，最大主拉應力為2.85 MPa，總體而言超標情況不大。腹板外側主壓應力最大為16.8 MPa，出現在0號塊腹板與1號塊腹板厚度突變處，小于規范允許值21.3 MPa，滿足規范要求。

圖13 最大剪力工況下0號塊腹板主應力云圖

3.5 剪力滯效應分析

以0號塊中心截面為坐標原點，縱橋向分別以0，5 m(橫隔墻位置)，9.5 m(0號塊分界線)位置設置3條路徑線，見圖14，相對應位置處的頂板彎曲正應力映射至路徑上[7]。

圖14 不同路徑下的剪力滯云圖

經計算可知，3條路徑剪力滯現象較為顯著，其原因主要由于0號塊承受最大負彎矩且頂、底板均做了局部加強[8]。頂底板剛度在整個截面占比越大，剪力滯現象會越明顯，建議設計中對該區域配筋合理優化。

4 應力監測結果

在A-A斷面共布置10個應力監測點，橫斷面布置見圖2b)，最大懸臂狀態工況進行應力監測數據對比分析見表3，繪制最大懸臂狀態下應力測點1～10處的應力曲線見圖15。由圖15可見，在最大懸臂狀態下頂板及底板所布設位置均為受壓狀態，且實測應力與計算值值吻合度較高，驗證了有限元模型的準確性。

表3 A-A斷面混凝土主梁應力

圖15 最大懸臂狀態下A-A斷面應力水平

5 結語

本文以大跨度混合梁連續剛構橋0號塊為研究對象，分析了施工階段及成橋運營最不利工況下0號塊的空間受力，主要得到以下結論。

1) 為減少0號塊澆筑水化熱作用產生的裂縫，有必要對澆筑方式合理優化，施工中應嚴格控制混凝土入模溫度并采取必要的降溫措施，避免混凝土結構產生溫度裂縫。

2) 最大負彎矩工況及最大剪力工況下，頂底板正截面抗裂與法向應力驗算均能滿足要求。但在局部截面突變位置仍然是高應力狀態，體現在腹板及頂板厚度突變位置。

3) 0號塊剪力滯分布較為復雜，建議以實體計算分析為主。頂底板剛度在整個截面占比越大，剪力滯現象愈明顯，建議對該區域配筋進行合理優化。

4) 最大懸臂狀態下，頂底板布置應力測點均為受壓狀態，且實測應力與理論值吻合度較高，有限元模型的正確性得到了驗證。