獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁實體有限元計算分析

摘要：匝道橋一般多為單車道或雙車道橋梁，當橋梁靠近市區時，受交通和景觀因素影響，橋墩多設計為獨柱墩形式。文章以某高速公路入城段30 m跨簡支裝配式預應力小箱梁為例，以獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁為研究對象，通過空間有限元軟件對獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁受力狀態進行計算分析，確保結構受力安全可靠，為類似結構設計提供參考。

關鍵詞：匝道橋；獨柱墩；鋼筋混凝土蓋梁；有限元軟件

中圖分類號：U443.22 A 36 121 2

0 引言

高速公路主線橋梁多采用一種或兩種標準跨徑裝配式預應力結構，以便于標準化施工。當主線靠近城市或有景觀需求時，裝配式預應力橋梁多為箱梁形式。對于匝道橋而言，受平曲線要素影響，上部結構大多采用現澆梁或鋼梁，當平曲線半徑較大時，也可采用裝配式預應力小箱梁，以節約造價，加快施工進度［1-5］。

匝道橋車道較少，針對入城段匝道橋而言，由于城市交通流量大，橋梁下部結構的選取至關重要，常規做法是采用獨柱墩形式并設置于下穿道路分隔帶內，以避免影響城市交通。此類獨柱墩蓋梁通常采用鋼筋混凝土結構形式，蓋梁剪跨比較小，采用常規梁單元模擬無法準確得到蓋梁受力狀態。因此，基于有限元軟件對獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁受力狀態進行計算分析，分析結果能為此類結構的工程應用提供重要依據。

1 工程概況

某高速公路項目主線采用30 m跨簡支裝配式預應力小箱梁，入城段C匝道大橋由于平曲線半徑較大，為便于施工，上部結構采用與主線相同結構，下部結構采用獨柱墩+鋼筋混凝土蓋梁形式。荷載等級為公路1級。橋面總寬為12.22 m，上部結構共采用4片小箱梁，梁高為170 cm，橋面鋪裝為10 cm厚C40混凝土和10 cm厚瀝青混凝土形式。橋面不考慮交安設施，護欄采用SS級防撞護欄，橋下地勢較平坦，平均橋高約為800 cm。選取某跨處獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁進行分析，其下部結構形式如圖1所示。

蓋梁和墩柱材料均為C35混凝土，受力鋼筋材料為HRB400。由于橋寬較小，蓋梁無須采用預應力鋼筋混凝土形式。墩柱橫橋向×縱橋向寬度為380 cm×180 cm，墩柱與蓋梁相接處通過圓弧進行過渡，圓弧橫橋向長度為108 cm，蓋梁一側懸臂長度為298 cm，蓋梁總高為230 cm，獨柱墩高度選取平均高度為800 cm進行分析。承臺和樁基均為C30混凝土。

2 材料參數

蓋梁和墩柱C35混凝土彈性模量為Ec=3.15×104 MPa，泊松比vc=0.2，容重γc=26 kN/m3，混凝土軸心抗壓和抗拉強度標準值分別為fck=23.4 MPa和ftk=2.20 MPa，溫度線膨脹系數為αs=1.5×10-5。蓋梁上部布置直徑為28 mm的HRB400鋼筋，材料彈性模量為Es=2.0×105 MPa，容重γ鋼=78.5 kN/m3，泊松比vs=0.3，溫度線膨脹系數為αs=1.5×10-5。

3 有限元模型

有限元模型的建立思路為：（1）通過建立蓋梁桿系模型，確定蓋梁懸臂根處彎矩影響線；（2）建立蓋梁實體單元有限元模型，結合影響線布置車輛荷載；（3）通過計算求解研究蓋梁的受力特征。

通過蓋梁桿系模型分析，活載根據懸臂根部彎矩影響線，選取一側懸臂范圍內進行單車道布載，活載對應的支座反力根據桿系模型加載提取得到，單軸車輛荷載大小為447.72 kN［6］，此時最外側支座反力為903 kN，其余3個支座反力數值＜10 kN，因此僅考慮在最外側支座處施加903 kN活載。本文主要關注蓋梁受力，根據圣維南原理，在建立實體有限元模型時，僅建立1倍蓋梁高度的墩柱范圍，以確保蓋梁不受墩柱長度的影響。基于ABAQUS有限元軟件，C35混凝土蓋梁及墩柱采用四面體二次單元C3D10實體單元模擬，D28鋼筋采用桁架單元模擬，單元類型為T3D2，忽略鋼筋體積的影響，將鋼筋嵌入到梁體中進行節點耦合。所建立的實體有限元模型如圖2所示。

4 結果分析

應力狀態是一個結構最基本的受力狀態之一，通過分析蓋梁應力結果可判斷蓋梁受力薄弱部位，有利于指導設計。一般而言，為查看真實受力下的結構應力狀態，荷載組合應選擇標準組合，其中由于蓋梁為局部分析，考慮活載的沖擊作用，沖擊系數取1.3。本文荷載主要考慮結構恒載和活載作用，系統溫度按照整體升降溫30 ℃考慮。通過計算得到標準組合下混凝土法向正應力分布圖、最大主壓應力分布圖、最大主拉應力分布圖分別如圖3～5所示。

計算結果表明，標準組合下，正截面法向最大壓應力5.2 MPa≤0.5fck=11.7 MPa，最大主壓應力5.6 MPa≤0.6fck=14.04 MPa。壓應力數值均滿足規范要求［7］，并且安全富裕度較大，具有一定的優化空間。截面法向最大壓應力和最大主壓應力均位于懸臂根部蓋梁底緣，壓應力沿墩柱加腋處向墩柱方向傳遞，說明局部加腋有利于分散應力集中效應。蓋梁最大主拉應力分布在懸臂根部蓋梁截面上緣支座墊石附近，應力分布具有典型的局部特征，最大主拉應力達到3.4 MPa，超過混凝土軸心抗拉設計強度標準值。從某種意義上講，可以認為獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁不利截面位于懸臂根部，具體不利應力位置位于距離懸臂根部最近的支座墊石周圍。因此，設計時應重點關注獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁拉應力作用，加強局部配筋。

蓋梁截面頂部配置的橫橋向鋼筋，在蓋梁截面頂部受拉時起到受拉鋼筋作用，確保鋼筋混凝土構件裂縫寬度滿足規范要求。根據計算結果，得到鋼筋拉應力分布如圖6所示。由圖6可知，鋼筋整體拉應力數值較小，最大拉應力為18.0 MPa，其數值低于鋼筋抗拉強度設計值，原因為蓋梁截面頂部混凝土已經開裂，截面剛度變小，鋼筋拉應力將變大，而在實體單元分析中，難以準確模擬材料開裂本構關系，此處對于鋼筋拉應力的分析僅為定性分析。由圖6還可知，鋼筋最大拉應力基本處于懸臂處支座墊石周圍，與混凝土應力分布基本一致，這表明模型中鋼筋與混凝土節點耦合效果較好。

活載作用下，蓋梁豎向位移分布圖如后頁圖7所示。由圖7可知，最大豎向變形為0.62 mm，位于加載側懸臂端，另一側懸臂最大上撓位移為0.30 mm，因此活載作用下正負撓度之和為0.92 mm。蓋梁懸臂長度為298 cm，撓度和0.92 mm≤298/300=0.99 cm，結構變形滿足規范要求。

5 結語

本文結合某高速公路匝道橋項目，對獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁受力狀態進行了實體有限元計算分析，得出主要結論如下：

（1）實體有限元分析適用于剪跨比較小的鋼筋混凝土蓋梁，蓋梁截面壓應力較小，最大壓應力位于蓋梁與墩柱相交處。

因此，應加強連接處的設計，此處圓弧倒角形式有利于應力向墩柱方向的擴散。應結合計算結果合理選擇蓋梁截面高度，建議混凝土材料強度等級不宜過高。

（2）獨柱墩鋼筋混凝土蓋梁支座布置時應盡可能避免將支座放置于懸臂根部截面處，同時應注意優化墩柱橫橋向尺寸。橫橋向尺寸較大時，可將墩柱中間截面削弱或改成雙柱墩形式。

參考文獻

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［2］余 暉.某獨柱墩橋梁鋼蓋梁加固局部受力分析［J］.湖南交通科技，2022，48（2）：136-140，168.

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［6］JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范［S］.

［7］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

收稿日期：2023-01-26