晉中市經(jīng)四路澗河橋力學(xué)性能分析

吳紅升

(太原市市政工程設(shè)計研究院，山西太原 030002)

1 工程概況

正在修建的晉中市榆次區(qū)經(jīng)四路澗河橋位于晉中市澗河上，是跨榆次區(qū)澗河的重點景觀橋梁工程。該橋上部結(jié)構(gòu)為3×28 m變截面鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，外裝成拱形;下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，柱式橋墩，配承臺樁基。橋梁跨徑布置為(28+28+28)m，標(biāo)準(zhǔn)橋面段寬度為52 m(5.5 m人行道+6 m非機動車道+3.5 m隔離帶+22 m機動車道+3.5 m隔離帶+6 m非機動車道+5.5 m人行道)，雙向六車道。主梁采用分離式雙主箱斷面，為鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，梁底設(shè)置二次拋物線，支點處梁高4.0 m，跨中梁高1.25 m，箱梁為單箱多室直腹板結(jié)構(gòu)，單幅箱梁梁頂寬25.84 m(未含外裝飾)，箱梁底寬25.84 m，不設(shè)置懸臂，箱梁每跨跨中設(shè)橫隔板。箱梁底板厚度隨梁高變化，自支點截面向跨中截面逐漸減小，墩頂梁高4.0 m，頂板厚25 cm，底板厚127.5 cm，邊腹板厚70 cm，中腹板厚70 cm;跨中梁高1.25 m，底板厚25 cm，頂板厚25 cm，邊腹板厚50 cm，中腹板厚50 cm，箱梁采用C40混凝土。橋梁下部采用柱式橋墩、重力式橋臺，基礎(chǔ)采用承臺配樁基，樁基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計。橋臺、橋墩樁基直徑均為1.5 m，承臺高度2.0 m。橋墩直徑1.5 m，臺厚度2.2 m。由于該橋型受力復(fù)雜，且空間效應(yīng)明顯，為了確保橋梁安全，需要對該橋建立空間模型并進行空間力學(xué)性能分析。

2 有限元模型的建立

采用有限元軟件MIDAS/Civil進行建模，在橋梁有限元建模中，結(jié)合類似橋梁的建模經(jīng)驗，主梁采用空間梁單元模擬;墩頂橫梁和跨中橫隔板折算成荷載的形式施加在主梁上;主梁縱向鋼筋、抗剪箍筋和彎起鋼筋(彎起角度45°)均按照設(shè)計圖紙上進行輸入。墩頂支座利用有限元軟件MIDAS/Civil中的邊界條件彈性連接進行模擬，按照抗震支座的實際剛度進行輸入，橫橋向一幅橋設(shè)置6個支座，間距為4.654 m。橋梁空間有限元計算模型如圖1～圖3所示(X為縱橋向，Y為橫橋向，Z為豎橋向)。材料常數(shù)根據(jù)橋梁設(shè)計規(guī)范確定。

根據(jù)橋梁所處的環(huán)境和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，荷載的施加均按照實際受力情況和橋梁規(guī)范規(guī)定進行恒載和移動荷載的施加。

圖1 空間計算模型

圖2 墩頂模型斷面圖

圖3 跨中模型斷面圖

經(jīng)四路澗河橋施工采用滿堂支架施工，先在支架上澆筑混凝土，進行養(yǎng)護，最后進行橋面施工，施工階段的劃分見表1。

表1 施工階段劃分

3 計算結(jié)果及其分析

3.1 荷載工況

為了對晉中市經(jīng)四路澗河橋進行力學(xué)性能分析，考慮在施工階段和成橋階段下橋梁的受力狀態(tài)。根據(jù)施工階段和成橋后荷載工況，計算了該橋的靜態(tài)力學(xué)性能，分析計算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

3.2 施工階段

1)主梁受力分析:主梁軸力和彎矩關(guān)于該橋中跨近似對稱，剪力關(guān)于中跨大致反對稱，限于篇幅，本文僅給出彎矩圖，如圖4所示，彎矩圖在中跨處均為負(fù)彎矩，沒有正彎矩出現(xiàn)，且墩頂負(fù)彎矩較大，這是由于該橋跨徑布置相等且自重較大，以至于中跨均為負(fù)彎矩;在靠近墩頂處，剪力變大且有突變，在跨中剪力較小，符合連續(xù)梁橋的一般規(guī)律。根據(jù)規(guī)范JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范，第7.2.4和7.2.5的規(guī)定，需進行施工階段的應(yīng)力驗算。對于受壓區(qū)混凝土邊緣壓應(yīng)力和箱梁混凝土中性軸主拉應(yīng)力的驗算，在整個施工過程中，全橋最大法向壓應(yīng)力出現(xiàn)在施工第三階段，單元最大法向壓應(yīng)力為8.2 MPa，箱梁混凝土中性軸主拉應(yīng)力為0.993 MPa，滿足橋梁規(guī)范要求。

圖4 經(jīng)四路澗河橋施工階段彎矩圖

2)主梁整體變形分析:主梁整體變形均以豎向位移為主(如圖5所示)，在第三施工階段，主梁中跨并沒有出現(xiàn)下?lián)?，反而向上變形，豎直向上最大位移出現(xiàn)在跨中，其數(shù)值為18 mm。邊跨有豎直向下的變形，其豎直向下最大位移出現(xiàn)在接近跨中的位置，其值為36 mm。邊跨和中跨變形均接近二次拋物線形式，為保證橋梁在施工過程中的安全性［1］，施工時要預(yù)壓支架，根據(jù)主梁變形情況調(diào)整主梁預(yù)拱度，以保證成橋后主梁線形達(dá)到合理的狀態(tài)。

圖5 經(jīng)四路澗河橋施工階段位移圖

3)支座反力分析:支座反力在橋臺和橋墩處分布比較均勻，在橋臺處支座反力最大值為2 015 kN，在橋墩處支座反力最大值為5 691 kN，橋墩臺受力情況較好。

3.3 成橋階段

1)主梁受力分析:梁軸力包絡(luò)圖和彎矩包絡(luò)圖(如圖6所示)，關(guān)于該橋中跨近似對稱，剪力包絡(luò)圖關(guān)于中跨大致反對稱。成橋后的彎矩包絡(luò)圖在中跨跨中存在較小的正彎矩，在墩頂處存在較大的負(fù)彎矩，由于該橋等跨徑布置且自重較大，車道荷載和人群荷載影響相對恒載影響較小，以致于中跨彎矩包絡(luò)圖中負(fù)彎矩影響較大;在靠近墩頂處，剪力包絡(luò)圖中剪力變大且有突變，在跨中剪力包絡(luò)圖中剪力較小，符合連續(xù)梁橋的一般規(guī)律。根據(jù)橋涵規(guī)范相關(guān)的規(guī)定，對該橋需進行使用階段正截面抗彎強度驗算，根據(jù)箱梁最大、最小彎矩包絡(luò)圖可知，最大正彎矩為74 216 kN·m(截面內(nèi)力)＜86 592 kN·m(截面抗力)，最大負(fù)彎矩為161 421 kN·m(截面內(nèi)力)＜200 424 kN·m(截面抗力)，所有截面的內(nèi)力均小于截面的抗力。根據(jù)規(guī)范JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范，第5.2.6～5.2.11的規(guī)定，需進行使用階段斜截面抗剪驗算，根據(jù)剪力包絡(luò)圖可知，全橋最大剪力為26 733 kN＜54 894 kN;同時根據(jù)計算結(jié)果，所有截面的內(nèi)力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求。對箱梁進行裂縫寬度驗算，根據(jù)頂板與底板單元的上下緣的裂縫分布可知，最大裂縫寬度為0.17 mm＜0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

2)主梁整體變形分析:全橋以豎向位移為主，主梁中跨在永久荷載和可變荷載作用下并沒有出現(xiàn)下?lián)?，反而向上變形，豎直向上最大位移出現(xiàn)在跨中，其數(shù)值為10 mm;邊跨有豎直向下的變形，其豎直向下最大位移出現(xiàn)在接近跨中的位置，其值為23 mm。沿縱橋向位移最大值為21 mm，橫橋向位移可以忽略不計。根據(jù)橋涵規(guī)范，在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后梁式橋主梁的最大撓度處不應(yīng)超過計算跨徑的1/600［2］，即最大值不應(yīng)超過46 mm，橋梁變形滿足規(guī)范要求。邊跨和中跨變形均接近二次拋物線形式，要根據(jù)主梁變形情況調(diào)整主梁預(yù)拱度，以保證成橋后主梁線形達(dá)到合理的狀態(tài)，同時要注意中跨主梁變形的情況，由于該橋跨徑邊跨和中跨布置均相等，以至于中跨變形向上，在施工時要引起注意。

圖6 經(jīng)四路澗河橋成橋階段彎矩包絡(luò)圖

3)支座反力分析:支座反力在橋臺和橋墩處分布比較均勻，由于移動荷載的作用，在靠近道路中心線處橋墩臺支座反力較大，而遠(yuǎn)離道路中心線處支座反力較小，墩頂處支座反力最大值為6 768 kN，最小值為6 355 kN，橋臺處支座反力最大值為2 674 kN，最小值為2 371 kN。在選擇支座和計算下部結(jié)構(gòu)時，要根據(jù)不同的支座反力合理的選擇支座類型和樁基長度。

4 結(jié)語

針對晉中市榆次區(qū)經(jīng)四路澗河橋的實際特點，使用有限元軟件MIDAS/Civil對該橋進行靜態(tài)力學(xué)性能分析，根據(jù)施工階段和成橋階段橋梁的計算結(jié)果可知，主梁受力和變形均滿足規(guī)范規(guī)定的允許值，主梁線形控制較好，該橋梁在汽車荷載作用下位移滿足設(shè)計規(guī)范正常使用狀態(tài)下的變形要求。

本文計算結(jié)果已為經(jīng)四路澗河橋設(shè)計復(fù)核提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

［1］賀栓海.橋梁結(jié)構(gòu)理論與計算方法［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.