典型寬斜梁橋結構優(yōu)化與受力分析

王俊俠

（江蘇森尚工程設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214031）

0 引言

近年來隨著城市建設發(fā)展日益完善，各個城市路網(wǎng)規(guī)劃也趨于完善，橋梁服從規(guī)劃路網(wǎng)思維模式在城市道路建設中越來越普遍。城市道路功能要求比較多，要設置人行道、非機動車道、綠化帶、機動車道及中央分隔帶，城市道路要滿足不同路權分配，寬度相對較窄；城市空間布局較為緊湊，橋梁布置受河道、規(guī)劃道路及周邊構筑物的影響。實踐中，寬斜梁橋在城市橋梁中的選用優(yōu)勢突出。南通市圩角河橋斜角為55°，橋面單幅正寬18m，斜寬約31.4m，該橋最大橋跨徑35m，是典型的寬斜梁橋，本文對其橋梁結構的優(yōu)化與受力狀態(tài)進行分析。

1 項目概況和技術標準

絲綢路從江海路起向西跨越圩角河，至富江路，規(guī)劃斷面40m。其中圩角河為內(nèi)河七級航道，最高通航水位2.10m（黃海高程），橋位處水面寬度約58.1m，線路中心線與航道中心線斜交145°，圩角河兩側均規(guī)劃有一條景觀行車道。該橋橋位距起點江海路交叉口只有220m，縱坡對橋型選擇影響很大。橋梁橋跨布置為28m+35m+28m，全橋長97.06m。橋梁結構形式采用整體現(xiàn)澆連續(xù)混凝土剛構形式。下部結構橋墩采用板式墩、橋臺采用扶壁式橋臺，基礎均為鉆孔灌注樁。

道路等級設計荷載：城市主干道；設計行車速度：50km/h；橋梁標準橫斷面：40（m）=5.25m（人行道）+4.25m（非機動車道）+8m（機動車道）+5m（中央分隔帶）+8m（機動車道）+4.25m（非機動車道）+5.25m（人行道）；設計荷載：城-A，人群3.5kN/m2；通航標準：七級航道，通航凈寬18.0m，凈空2.5m，最高通航水位2.10m（黃海高程）；地震裂度：按基本烈度6度設防。

2 橋梁方案與結構優(yōu)化

圩角河橋斜角角度達到55°，橋面單幅正寬18m，斜寬約31.4m，而最大橋跨斜向只有35m，是典型的寬斜梁橋，針對該橋方案，我院多次聘請專家討論，綜合考慮橋梁外觀、施工難度、工程造價等因素，最終確定采用預應力混凝土連續(xù)剛構。

2.1 初定橋梁斷面

橋型方案確定以后，初擬定的橋梁上部結構采用整體式空心板斷面，在橋墩處設置4m的中橫梁，橫梁斜向布置如圖1所示。

圖1 橋梁橫斷面（單位：cm）

2.2 方案計算

通過對整體板以上諸多受力點進行了平面計算和空間計算。通過平面計算出橋梁的正常使用狀態(tài)應力和極限承載能力均能滿足規(guī)范要求。空間計算具體如下：為滿足設計要求，取3個控制截面分別計算1#墩頂最大拉應力、一跨跨中下緣及二跨跨中下緣最大拉應力。

（1）工況一。結構自重：γ=2600kg/m3；橋面鋪裝：50kN/m，防撞護欄：10kN/m，人行道欄桿及人行道板：10kN/m，外側花盆：6kN/m；支座沉降6mm；整體升溫20℃；頂?shù)装遑摐夭睿灰弧⒍煽缛嚨罎M載外偏設置，荷載集度按城A取值。工況一1＃墩墩頂正應力圖如圖2所示。

圖2 工況一

（2）工況二。結構自重：γ=2600kg/m3；橋面鋪裝：50kN/m，防撞護欄：10kN/m，人行道欄桿及人行道板：10kN/m，外側花盆：6kN/m；4 支座沉降6mm；整體升溫20°；頂?shù)装逭郎夭睿灰弧⑷齼煽缛嚨罎M載外偏設置，荷載集度按城A 取值。工況二第一跨跨中截面正應力圖如圖3所示。

圖3 工況二

（3）工況三。結構自重：γ=2600kg/m3；橋面鋪裝：50kN/m，防撞護欄：10kN/m，人行道欄桿及人行道板：10kN/m，外側花盆：6kN/m；3 支座沉降6mm；整體降溫20℃；頂?shù)装逭郎夭睿坏诙缛嚨罎M載外偏設置，荷載集度按城A 取值。工況三第二跨跨中截面正應力圖如圖4所示。

圖4 工況三

2.3 計算結果

橋梁平面桿系和空間計算結果表明整體板橫橋向正應力及豎向正應力都偏大，達2MPa左右；在最不利荷載作用下，端橫梁靠近銳角及鈍角處支座存在脫空的可能。根據(jù)計算結果發(fā)現(xiàn)采用整體式空心板存在如下問題：

（1）這種斷面空心圓頂部容易出現(xiàn)裂縫（縱向）；

（2）這種挖空方式應力集中現(xiàn)象比較嚴重，夏天溫差影響頗大，一般比規(guī)范要大5～6倍（試驗測量）；

（3）這種斷面剛度分配不太均勻，橫向剛度差異較大，縱向剛度分部不均勻，易開裂；

（4）斜角角度較大的結構形式縱向預應力對橋梁下部構造會產(chǎn)生扭轉效應。

2.4 調(diào)整斷面

針對整體式空心板斷面在斜角角度較大的結構中存在的諸多問題，對橋梁結構進行如下優(yōu)化：

（1）為了減少寬斜梁橋受力上的不均衡，設計過程中將上部結構整體板式結構改成開口的箱型截面；

采用標準篩分實驗分析第⑩土層全風化片麻巖顆粒組成，如表6所示。該土層顆粒一般含礫豐富，顆粒也以粗粒組中的砂為主，砂粒級含量平均達61.4%，細粒組平均含量達14.9%。按照GB/T50145-2007劃分其工程分類，該土層基本屬于粉土質(zhì)砂，個別為粘土質(zhì)砂。

（2）為了避免小箱梁發(fā)生平面轉動，造成落梁事故，設計工程將結構調(diào)整為連續(xù)剛構，橋墩采用實體墩；

（3）為了減少結構在銳角處的應力集中現(xiàn)象，在上部箱梁結構銳角處設置倒角，在埋置于下部的承臺兩端設置成倒角，這樣可以減少一部分的應力集中給結構帶來的受力不均勻。

最終橋梁橫斷面如圖5所示。

圖5 最終橋梁橫斷面（單位：cm）

由圖5 可看出調(diào)整后的結構形式：單幅橋頂板寬18.5m，底板寬17.5m，頂板與底板與道路橫坡一致，梁體在縱向為變高，梁高由1.4～2.6m按圓曲線變化；橫向有6片小箱梁，每片箱梁間距3.12m，邊板懸臂50cm，箱梁頂板厚度均18cm，底板厚度正常段為18cm，腹板厚度40cm。梁體內(nèi)縱向設置預應力鋼束，采用兩端張拉。主梁橋墩采用板式橋墩下設承臺，下接8×Ф150cm單排樁。

3 橋梁結構受力分析

圩角河橋斜角為55°，橋面單幅正寬18m，斜寬約31.4m，該橋最大橋跨徑35m，是典型的寬斜梁橋，單純的平面計算已經(jīng)不能很好地真實地反映該橋的受力狀態(tài)。故在設計過程中分別用平面桿系和空間實體單元對該橋受力情況進行了多方位的分析和計算。

3.1 平面桿系計算

對主梁進行了承載能力驗算、持久狀態(tài)正常使用狀態(tài)驗算、持久狀態(tài)和短暫狀態(tài)應力計算。

該橋主梁采用預應力混凝土小箱梁，結構連續(xù)的剛構形式，正常段梁高1.40m（小箱梁頂?shù)装寰捎?.0%的橫坡），支點處梁高2.5m變化、橋面全寬18.0m，頂板厚0.18m，底板為變厚度，腹板厚0.4m。端橫梁1.743m，中橫梁4.0m。按部分預應力混凝土A 類構件進行驗算。本次計算將下部樁基一起模擬進去計算，樁基根據(jù)地下土層的地基土比例系數(shù)m計算出樁基水平方向的彈簧剛度，給每個樁基單元加上一個水平彈簧約束，樁基考慮地下15m的深度，由于順橋向為單排樁樁基底緣設置豎向支撐。主梁按平面桿系單元承載能力、正常使用極限狀態(tài)均滿足部分預應力混凝土A類構件的規(guī)范要求。

3.2 空間實體模型計算

由于圩角河橋是典型的寬斜梁橋，呈現(xiàn)出很強的空間受力特性，故對該橋進行空間建模驗算是必需的。

3.2.1 計算模型的建立

對于該橋空間模型的建立，不僅要考慮上部結構采用何種單元模擬，還要考慮預應力和下部樁基的模擬。

常用的空間建模手段主要有空間梁格體系、空間板殼體系、空間實體模型體系三大類，空間梁格體系可直接得到設計需要的各控制截面的荷載內(nèi)力，用于設計方便實用，但不能反映局部結構受力狀態(tài)；空間板殼體系對于薄壁箱梁的模擬較為準確，但對實體墩的模擬顯得有些粗糙；空間實體模型體系可全面地反映結構的受力狀態(tài)，并能反映出局部受力特點，然而模型的建立最為復雜且相對計算時間成本最大。

由于該橋為預應力連續(xù)剛構體系，且中間薄壁實體墩相對梁剛度較大，其與小箱梁的連接部位應為重點研究對象之一。為確保計算盡量準確，本文采用了空間實體單元對上部結構（包括實體墩）進行了建模，下部樁基采用空間梁單元模擬，在梁與實體相接處采用剛臂處理。

在實體模型的建立中，最難準確考慮的是縱向預應力的模擬，為此，本文采用了兩種常用模擬預應力效應的方法進行對比分析：（1）等效荷載法，將平面計算得到的有效預應力轉化為荷載作用在實體單元的各個截面上；（2）初應變法，運用桿單元的初應變功能直接建立預應力束并將其與實體相接部位的節(jié)點自由度耦合（即假設為有粘結預應力）。通過對初始空心板截面兩種方法計算結果的對比，發(fā)現(xiàn)結果基本一致，故在改進后結構的計算中，采用了其中一種建模相對快捷的初應變法進行分析計算。全橋空間計算模型如圖6所示。

圖6 空間有限元模型

3.2.2 計算結果

該橋建模計算為滿足設計要求，取3個控制截面分別計算1＃墩頂最大拉應力、邊跨跨中下緣最大拉應力及中跨跨中下緣最大拉應力。3個控制截面的最不利效應分別對應3個不同的荷載工況,各控制截面的計算結果如圖7~圖9所示。

圖7 1#墩頂正應力圖（單位：Pa）

圖8 邊跨跨中正應力圖（單位：Pa）

圖9 中跨跨中正應力圖（單位：Pa）

計算結果表明：墩頂兩側在其最不利荷載作用下最大拉應力達1.14MPa，最大壓應力為6.38MPa，墩頂中間部分應力要比兩側小。邊跨跨中在其最不利荷載作用下全截面受壓，最大壓應力達10.1MPa，最小壓應力為1.27MPa，全截面應力比較均勻。中跨跨中在工況三荷載作用下全截面受壓，最大壓應力達8.95MPa，最小壓應力為3.69MPa，應力從車行道側到人行道側遞減。優(yōu)化后箱型斷面比原整體空心板斷面應力明顯均勻，這主要是兩者橫向剛度上的差別引起的。

4 橋梁設計過程中細部處理

（1）為了減少結構在銳角處的應力集中現(xiàn)象，在上部箱梁結構銳角處設置倒角，在埋置于下部的承臺兩端設置成直角，這樣可以有效減少一部分的應力集中給結構帶來的受力不均勻。

（2）圩角河橋兩側地塊要開發(fā)，并且橋邊孔下有汽車通道，為了不占用周圍的地塊，橋臺前面和側面均無法放坡，橋臺須做扶壁式橋臺。由于該橋斜角角度比較大，橋梁下部結構工程量很大，為了減少下部橋臺工程量，降低工程造價，將橋臺形式改為薄壁式橋臺，薄壁式橋臺承受水平力和水平彎矩的能力比較差，為了解決這個問題，臺后填土采用了新型材料固化粉煤灰[1]。

5 結束語

該橋自2008年建成以來，已運營15年，橋梁結構狀況良好。對其寬斜梁大角度受力進行了初步驗算分析，這種大角度的斜梁受力十分復雜，計算模式、參數(shù)等雖然還比較粗略，但對指導設計、施工還是有參考價值。