當蕪大橋主橋結構設計及受力分析

程春其

(中鐵城市規劃設計研究院有限公司，安徽 蕪湖 241060)

0 引言

大跨徑連續梁橋因其具有經濟性好、剛度大、行車舒適以及跨度大的優點，在城市橋梁建設工程中得到了廣泛的應用。因此，需要對大跨徑連續梁橋的結構特性進行研究分析。石云等[1]研究了連續梁橋合龍順序對結構受力的影響；李國平等[2]研究了施工控制對大跨連續梁橋的線形影響；何庭國等[3]對烏龍江特大橋的橋梁線形和橋梁減隔震進行了分析，劉天培等[4]對將金山特大橋的橋墩受力和箱梁橫向受力進行了分析。

本文依托當蕪大橋工程實例，通過數值對比分析，對其230 m三跨預應力連續箱梁的縱向整體受力和橫向受力進行分析，以確保橋梁結構滿足設計安全要求。

1 工程概況

1.1 總體設計

當蕪大橋位于安徽省馬鞍山市當涂縣與蕪湖市的交界處，是赤鑄山路跨越青山河的一座大型橋梁，其主橋跨徑為65 m+100 m+65 m三跨預應力連續箱梁。橋梁跨越處規劃為Ⅲ級航道，兩岸防汛大堤之間的距離為270 m左右。整體橋跨布置為3聯3×30 m+4×30 m+(65+100+65) m+(48+73+48) m+4×30 m+3×30 m=999 m。全橋橫斷面布置為2×[2.5 m(人行道)+14.5 m(車行道)+0.5 m(防撞護欄)]+3 m(鏤空)=38 m。

1.2 主橋結構設計

當蕪大橋橋型立面布置、支點截面及跨中截面如圖1～4所示。橋面全寬38 m，由上、下行分離的兩個單箱雙室箱型截面組成，單個箱梁頂板寬17.5 m，厚0.28 m，設2%的橫坡；底板寬12.3 m，厚度為0.28～0.9 m，橫橋向橫坡也為2%；箱梁根部梁高5.8 m，端部和跨中梁高2.6 m；箱梁梁高及底板厚度按2次拋物線變化；腹板厚度為0.5～0.8 m；翼緣板懸臂長為2.6 m，端部厚0.18 m，根部厚0.6 m。除在主墩墩頂設置一道厚2.5 m的橫隔梁，邊跨端部設厚1.5 m的橫隔梁外，其余部位均不設橫隔板。箱梁混凝土采用C50，采用三向預應力體系，縱梁、橫梁預應力采用預應力鋼絞線，豎向預應力采用JL32精軋螺紋鋼筋，布置在腹板及中橫隔梁內。

圖1 當蕪大橋橋型立面布置圖(cm)

圖2 當蕪大橋邊支點截面圖(cm)

圖3 當蕪大橋中墩支點截面圖(cm)

圖4 當蕪大橋跨中截面圖(cm)

橋梁下部結構采用鋼筋混凝土雙柱式墩身，低樁承臺，群樁基礎。主航道橋墩柱直徑為3.0 m，承臺厚度為3.0 m，每個承臺下方布置雙排共計8根φ180 cm鉆孔灌注樁。

2 主橋縱向分析

當蕪大橋為大跨徑連續梁橋，受到其橋下水文環境因素限制，橋梁在施工過程中不能中斷水運航道，因此主橋采用懸臂法施工[5-6]。由于主橋箱梁構造和結構受力均較為復雜，為了確保橋梁結構的安全，需要對全橋進行整體靜力分析。

本文建立了大橋的縱向整體模型，對當蕪大橋的受力性能進行分析對比。

2.1 有限元模型

為了確保模型計算結果的安全可靠，本文采用了兩種獨立的有限元軟件對模型進行平行計算，并將計算結果進行對比分析。

分別采用中鐵大橋勘測設計院集團有限公司自主研發的平面有限元計算程序SCDS和橋梁博士軟件建立了整體有限元模型(圖5)，模擬了懸臂0#塊到合龍成橋共23個施工階段。掛籃和模板總重按100 t計，邊跨合龍段及中跨合龍段的模板吊架總重按30 t計。

根據相關規范[7-10]規定，當蕪大橋主要技術標準為：道路等級：城市主干道；設計車速：60 km/h；汽車荷載等級：城—A級，人群荷載3.5 kPa； 設計洪水位：11.60 m；最高通航水位：10.62 m；最低通航水位：1.84 m；航道等級：按規劃Ⅲ級(凈寬≥70 m，凈高≥7 m)；設計基準期：100年。

圖5 當蕪大橋主橋有限元模型圖

2.2 結果對比分析

為了更直觀地對比分析當蕪大橋的縱受力特性，本文選取了其中7個典型截面，分別是邊跨的端部和1/2L處以及中跨的1/2L處和支點處。具體如圖6所示。

圖6 當蕪大橋典型截面選取示意圖(cm)

分別提取橋梁博士和SCDS模型中典型截面的內力和應力對比分析，具體的對比結果如下。

2.2.1 內力結果對比分析

由圖7～9可知，在成橋階段，SCDS和橋梁博士計算的彎矩數值大小基本一致，結果誤差較小；活載作用下，可以發現SCDS的計算結果和橋梁博士直接誤差較大，正彎矩時在橋梁的跨中位置處誤差較大，負彎矩時在結構的支點處誤差較大。由此可知，SCDS的計算結果更為不利。

圖7 成橋階段彎矩對比曲線圖

圖8 活載作用下最大正彎矩對比曲線圖

圖9 活載作用下最大負彎矩對比曲線圖

2.2.2 應力結果對比分析

由圖10～11可知，標準組合下，SCDS和橋梁博士計算的箱梁截面應力變化趨勢基本一致，應力誤差較小。箱梁的上下緣應力在主梁跨中位置誤差較大，最大截面誤差在2 MPa左右，SCDS計算結果更為不利。

通過兩種軟件的對比分析，進一步了解了橋梁的受力特性。由分析結果可知，SCDS和橋梁博士的計算結果吻合較好，沿主梁縱向的內力及應力變化趨勢一致，驗證了有限元模型的準確性。SCDS軟件計算數值較橋梁博士更大。為了確保橋梁結構的安全，在結構設計中兩個模型均能通過驗算。

圖10 標準組合箱梁上緣正應力對比曲線圖

圖11 標準組合箱梁下緣正應力對比曲線圖

3 主橋橫向分析

在大跨徑連續梁橋的計算中，由于結構的跨徑大以及橋面寬，除了對主橋縱向進行靜力分析外，還需要對箱梁的橫向受力進行分析，以確保結構在車輛橫向加載時的安全。

本文建立主橋箱梁的橫向有限元模型，對主橋的橫向局部進行分析，從而全面了解主橋的受力特性，為大橋結構設計安全提供重要依據。

3.1 箱梁橫向分析

本文采用SCDS軟件建立箱梁的橫向有限元模型。沿橋梁縱向選取6 m的節段，采用桿系單元模擬，二期荷載采用均布荷載加載，汽車荷載采用城—A級[11]，局部模型的約束主要在箱梁腹板與底板交接位置，采用常規的一般支承模擬。箱梁橫向有限元模型見圖12。

圖12 二維箱梁有限元模型圖

橫向分析中為了考慮汽車荷載橫向移動對結構的影響，分別計算車道居中加載和車道偏載兩種工況。車道布置的具體情況如圖13所示。

(a)車道居中加載

(b)車道偏載加載

3.2 分析結果

本文著重分析了箱梁頂底板的橫向受力以及箱梁頂、底板在基本組合下的內力結果，具體如圖14、圖15所示。

由圖14可知，頂板最大負彎矩分別在邊腹板和中腹板處，邊腹板最大的彎矩為-126.18 kN·m，中腹板最大負彎矩為-177.47 kN·m；頂板最大正彎矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中為42.285 kN·m，右箱室跨中為48.524 kN·m；頂板最大剪力分別在邊腹板和中腹板處，左側邊腹板最大的剪力為71.914 kN，中腹板最大剪力為145.85 kN，右側邊腹板最大的剪力為132.97 kN。

由圖15可知，底板最大負彎矩分別在邊腹板和中腹板處，邊腹板最大的彎矩為-48.325 kN·m，中腹板最大負彎矩為-38.097 kN·m；底板最大正彎矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中為25.485 kN·m，右箱室跨中為25.427 kN·m；底板最大剪力分別在邊腹板和中腹板處，左側邊腹板最大的剪力為25.778 kN，中腹板最大剪力為23.667 kN，右側邊腹板最大的剪力為23.34 kN。

綜上分析可知，箱梁頂板其抗彎承載力由負彎矩控制，其邊腹板和中腹板處的彎矩和剪力均較大，在設計該位置處其配筋構造需要加強；箱梁底板處彎矩和剪力較小，其與腹板位置處需要加強構造鋼筋即可。

(a)基本組合箱梁頂板彎矩(kN·m)

(b)基本組合箱梁頂板剪力(kN)

(a)基本組合箱梁底板彎矩(kN·m)

(b)基本組合箱梁底板剪力(kN)

4 結語

本文為了研究大跨徑連續梁橋的受力特性，以當蕪大橋為依托工程，采用了縱向整體分析和橫向局部分析相結合的研究方法，對主橋的縱向整體受力和箱梁橫向局部受力進行了分析，得到了以下結論：

(1)成橋階段，SCDS和橋梁博士計算結果誤差較小，有限元模型的準確性可以得到驗證。

(2)活載作用下，SCDS和橋梁博士計算結果誤差較大，最大正彎矩時在橋梁的跨中位置處誤差較大，最大負彎矩時在結構的支點處誤差較大。

(3)標準組合下，SCDS和橋梁博士計算的應力誤差較小，其反映的趨勢均為跨中處應力較大，支點處應力較小，SCDS計算結果更為保守，設計中為了偏于安全，本文以SCDS計算結果控制設計。

(4)箱梁橫向分析對橋梁的結構安全有重要意義，通過計算結果分析可以表明，箱梁腹板和翼緣板交接處的彎矩和剪力均較大，此處的受力較為復雜，設計過程中需要加強該位置。

(5)橫向分析結果分析表明，箱梁頂板受力較底板更為不利，其翼緣與邊腹板交接處，以及中腹板與頂板交接處，彎矩和剪力是底板的3～5倍，故在設計中，頂板橫向鋼筋應加密。