大跨PC連續剛構橋主梁參數對應力的影響分析

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎提升能力提升項目“廣西典型中小橋BIM模型庫”（編號：2020KY34014）

作者簡介：肖紹碧（1981—），碩士，工程師，研究方向：橋梁設計、施工及結構監測等。

摘要：為研究大跨PC連續剛構橋主梁應力與其不同設計參數間的內在聯系，文章以某72 m+120 m+72 m山區高速公路剛構橋為背景工程，選取主梁梁底曲線冪次、邊中跨比、跨中高跨比、支點高跨比、頂板厚、腹板厚、支點底板厚7個主要影響參數，引入影響系數K，對比分析不同設計參數對主梁應力的影響大小。研究結果表明：不同設計參數對主梁同一截面應力影響程度不同；同一設計參數對主梁不同截面應力影響程度不同；不同設計參數對主梁截面應力綜合影響程度由大至小依次為支點高跨比、跨中高跨比、邊中跨比、梁底曲線冪次、支點底板厚、腹板厚、頂板厚。

關鍵詞：主梁；邊中跨比；梁底曲線冪次；跨中高跨比；支點高跨比

中圖分類號：U448.23

0 引言

剛構橋憑借其跨越能力大、受力合理、經濟環保、施工方便、地形適應性強等優點一度成為80～200 m大跨徑橋梁建設的首選方案，尤其在山區公路橋梁建設中的應用最為廣泛^［1-2］。然而，由于剛構橋應力復雜，影響結構應力參數較多，設計人員在參數選取時若未能很好地把握主梁應力與其不同設計參數間的內在聯系，只憑經驗易導致主梁出現應力不合理或運營期主梁開裂等問題。

為研究剛構橋主梁應力與其不同設計參數間的內在聯系，國內外學者對此作了不少研究^［3-6］。其中，文獻［6］重點探索了，跨中梁高、梁底曲線冪次、支點梁高、邊中跨比對主梁應力的影響，但文中并未提及對其他設計參數進行應力影響分析，且并未詳細說明選取的4個主梁參數為何為關鍵影響參數，此外，對各參數影響大小并未通過同一標準進行評價。

本文在以上研究的基礎上，對主梁應力受其梁底曲線冪次、邊中跨比、跨中高跨比、支點高跨比、頂板厚度、腹板厚度、支點底板厚度7個主要設計參數的影響程度進行分析，并引入影響系數K，即各參數影響下主梁應力變化值與其參數變化率的比值，同標準下對比分析各設計參數對主梁應力的影響大小，讓設計者更全面地把握主梁應力與其不同設計參數間的內在聯系，設計出更合理的主梁截面。

1 背景工程及模型

背景工程為某山區高速公路一座橋跨布置為72 m+120 m+72 m的大跨連續剛構橋。主梁為單箱單室箱梁，支點梁高7.0 m，橋面寬12 m，跨中梁高3.1 m。箱梁頂板厚0.28 m，底板寬度為6.5 m，厚度由跨中至支點變化為0.32～0.7 m，梁高和支點底板厚度均按二次拋物線變化。腹板采用直腹板，其厚度由跨中至支點依次為0.4 m、0.55 m、0.7 m。主梁混凝土強度為C55，見圖1。

下部結構采用雙薄壁墩，間距7.0 m，橫橋向與梁底同寬，為6.5 m，壁厚為1.5 m，墩身混凝土強度為C40，樁基礎。

背景工程模型如圖2所示，結構整體有限元模型采用Midas Civil軟件建立，上部結構104個梁單元，下部結構80個梁單元。

2 不同邊中跨比的主梁應力影響分析

根據文獻^［7-8］統計，剛構橋主梁邊中跨比為0.52～0.60，故本文選取0.525、0.550、0.575、0.600、0.625五組邊中跨比，保持主跨跨徑不變，改變邊跨長度建立模型，恒活載標準值作用下不同邊中跨比的主梁關鍵截面應力變化情況如表1所示。

為在同一標準下對比分析不同設計參數對主梁應力的影響大小，引入主梁應力變化影響系數K，其值為主梁應力變化值與參數變化率比值的平均值，見式（1）：

K=∑ni=1應力變化值參數變化率n""" （1）

分析表1可知：恒活載標準值作用下，邊跨支點、L/8、L/4截面上下緣應力隨邊中跨比增大而增大，3L/8、L/2截面上下緣應力隨邊中跨比增大而減小。

分析K值可知：邊中跨比對主梁L/2截面上下緣應力影響最大，3L/8截面次之，支點截面影響最小。可見，增加邊中跨比，可適當改善主梁跨中附近截面應力狀況。

3 不同梁底曲線冪次的主梁應力影響分析

剛構橋主梁梁底曲線冪次一般為1.6～2.0，故本文選取1.6、1.7、1.8、1.9、2.0五組梁底曲線冪次，分別建立模型，對恒活載標準值作用下不同梁底曲線冪次的主梁應力變化情況進行分析。

恒活載標準值作用下不同梁底曲線冪次主梁關鍵截面上下緣應力計算結果如表2所示。

分析表2可知：L/2截面應力受梁底曲線冪次影響最小；支點截面應力隨冪次增大而減少；其他關鍵截面應力隨冪次增大而增大。

分析K值可知：L/8截面應力受梁底曲線冪次影響最大，L/4截面次之。因此，為使得L/8截面附近取得一個好的應力狀態，梁底曲線冪次是其優先可調節的參數。

4 不同跨中高跨比的主梁應力影響分析

根據文獻統計，剛構橋主梁跨中高跨比為1/35～1/50，故本文選取1/36.3、1/38.7、1/41.3、1/44.1、1/48.0五組跨中高跨比，分別建立模型，對恒活載標準值作用下不同跨中高跨比的主梁關鍵截面上下緣應力變化情況進行分析。

主梁關鍵截面上下緣應力計算結果如下頁表3所示。

分析表3可知：支點截面、3L/8截面應力隨跨中高跨比增大而增大，其他關鍵截面應力則隨梁高增大而減少。

分析K值可知：L/4截面應力受跨中高跨比影響最大。因此，為使得L//4截面附近取得一個好的應力狀態，跨中高跨比是其優先可調節的參數。

5 不同支點高跨比的主梁應力影響分析

根據文獻統計，剛構橋主梁支點高跨比為1/15～1/20，故本文選取1/20.0、1/18.5、1/17.1、1/16.0、1/15.0五組參數，分別建立模型，對恒活載標準值作用下不同支點高跨比主梁關鍵截面上下緣應力變化情況分析，計算結果如下頁表4所示。

分析表4可知：主梁截面應力隨支點高跨比增大而減少。

分析K值可知：支點截面應力隨支點高跨比變化最大，L/4截面應力變化最小，且兩者相差較大。可見，支點高跨比是影響主梁支點附近截面應力變化的一個重要參數。

6 不同頂板厚度的主梁應力影響分析

剛構橋主梁頂板厚度一般為0.25～0.32 m，故本文選取主梁頂板厚度0.26 m、0.28 m、0.30 m、0.32 m、0.34 m五組參數，分別建立模型，對不同頂板厚主梁在恒活載標準值作用下主梁關鍵截面上下緣應力進行分析。

計算結果如表5所示。

分析表5可知：恒活載標準值作用下主梁截面上緣應力隨頂板厚度增大而減少，下緣應力隨頂板厚度增大而增大。

分析K值可知：支點截面應力隨頂板厚度變化最大，3/8截面應力變化最小，但整體變化幅度均相對較小。可見，頂板厚度對主截面應力影響相對較小。

7 不同腹板厚度的主梁應力影響分析

主梁腹板最佳厚度與中跨跨徑、梁高、橋寬等均相關，本文背景工程中跨為120 m，橋寬為12 m，根據前文支點及跨中高跨比的取值范圍，選取5組腹板厚度進行研究，厚度（跨中至支點）分別為0.35～0.50～0.65 m、0.40～0.55～0.70 m、0.45～0.60～0.75 m、0.50～0.65～0.80 m、0.55～0.70～0.85 m。

根據以上5組參數，分別建立模型，對恒活載標準值作用下不同腹板厚度主梁關鍵截面上下緣應力變化情況進行分析。計算結果如表6所示。

分析表6可知：恒活載標準值作用下主梁截面應力隨腹板厚增大而增大，變化規律接近線性。

分析K值可知：支點截面應力隨腹板厚變化最大，3/8截面應力變化最小，但整體影響均不大。

8 不同支點底板厚度的主梁應力影響分析

大跨PC連續剛構橋主梁支點底板厚度與中跨之比大部分為1/140～1/170，跨中底板厚度則按構造要求設計，厚度一般為0.28～0.32 m，故本文保持中跨120 m及跨中底板厚度0.32 m不變，選取支點底板厚度0.65 m、0.70 m、0.75 m、0.80 m、0.85 m五組參數（與中跨之比分別為：1/184.6、1/171.4、1/160.0、1/150.0、1/141.7）。

根據以上5組參數，分別建立模型，不同支點底板厚度的主梁恒活載標準值作用下主梁關鍵截面上下緣應力計算結果如表7所示。

分析表7可知：恒活載標準值作用下主梁截面上緣應力隨支點底板厚度增大幾乎無變化，截面下緣應力隨支點底板厚度增大而減小，變化規律接近線性。

分析K值可知：截面上緣應力受支點底板厚度的影響很小，支點截面下緣應力隨支點底板厚度變化最大，L/2截面變化最小，除支點及L/8截面外，其他關鍵截面應力變化幅度不大。

9 結語

本文對主梁應力受其梁底曲線冪次、邊中跨比、跨中高跨比、支點高跨比、頂板厚度、腹板厚度、支點底板厚度7個主要設計參數的影響程度進行分析，得到結論如下：

（1）不同設計參數對主梁同一截面應力影響程度不同。

（2）同一設計參數對不同截面應力影響程度不同。

（3）對主梁截面應力綜合影響程度由大到小依次為支點高跨比、跨中高跨比、邊中跨比、梁底曲線冪次、支點底板厚度、腹板厚度、頂板厚度。根據其影響程度大小，可將前4個參數定為主要影響參數，建議由結構計算確定，后3個參數定為次要影響參數，建議由經驗及構造計算確定。

（4）實際工程主梁設計中，當截面應力不合理時，根據不合理截面位置，有針對性調整與其相關的一個或多個設計參數，由影響系數K，反推所需的參數調整值，能快速高效地將主梁應力調整至合理的狀態。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-08