上海威寧路橋橫向受力分析

翟志軒

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092）

1 項(xiàng)目概況與特點(diǎn)

上海威寧路橋位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)與普陀區(qū)交界處，全線(xiàn)南起天山路，北至云嶺東路，全線(xiàn)長(zhǎng)約0.86 km。主線(xiàn)寬度27.1 m，斷面按四快二慢布置。威寧路橋跨越蘇州河，根據(jù)航道部門(mén)要求需一跨過(guò)河，同時(shí)需跨越蘇州河南岸地面道路長(zhǎng)寧路。根據(jù)以上要求，威寧路橋主橋采用43 m＋57 m＋43 m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。由于橋?qū)捿^寬，橫橋向分為兩幅箱梁分幅施工。為了充分利用規(guī)劃紅線(xiàn)內(nèi)的道路寬度，兩幅箱梁間不設(shè)分隔帶,橋面板通過(guò)后澆帶連為一體。

考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，該橋采用懸臂澆筑和滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆相結(jié)合的施工方法，即中跨和部分邊跨采用掛籃懸臂澆筑，部分邊跨采用滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆。橫橋向兩幅橋分別施工，主梁合龍落架后再施工結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)位置處1 m寬的橋面板后澆帶和橫梁后澆帶。

2 橋梁設(shè)計(jì)基本資料

（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：

橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a。

（2）橋面寬度：

橋梁采用整體式斷面。主橋?qū)?7.1 m。

（3）設(shè)計(jì)荷載：

汽車(chē)荷載：城－A級(jí)；人群荷載：按《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算取值。

（4）二期恒載：

7 cm鋼筋混凝土鋪裝，9 cm瀝青混凝土鋪裝，兩道機(jī)非分隔墩，兩道人行欄桿。

（5）溫度荷載：

整體升降溫按升溫+25℃，降溫-25℃計(jì)。橋面板局部升降溫按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）規(guī)定的梯度溫度效應(yīng)計(jì)算。

（6）主要材料：

混凝土：主梁采用C50混凝土；

預(yù)應(yīng)力鋼束：采用ΦS15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)；

鋼筋：HRB335鋼筋。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 橋型布置

上部結(jié)構(gòu)為43 m＋57 m＋43 m三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，中支點(diǎn)梁高3.2 m，跨中及邊支點(diǎn)梁高1.6 m，斜腹板形式，梁底按二次拋物線(xiàn)布置。箱梁全寬27.1 m，箱頂布置雙向2%橫坡。橫斷面布置為雙單箱單室斷面，合龍落架后澆筑橋梁結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)處1 m寬橋面板后澆帶及橫梁后澆帶。立面布置見(jiàn)圖1所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

3.2 構(gòu)造尺寸

主梁中支點(diǎn)處梁高3.2 m，跨中及邊支點(diǎn)處梁高1.6 m，采用斜腹板雙單箱單室布置，腹板傾角25°，箱頂寬27.1 m，外側(cè)挑臂寬3.55 m，箱底寬4.48 m～6.06 m（中支點(diǎn)～跨中、邊支點(diǎn)），箱頂布置雙向2%橫坡，梁底曲線(xiàn)采用2次拋物線(xiàn)。

主梁頂板厚0.25 m，腹板厚0.45 m～0.75 m，底板厚0.25 m～0.7 m，底板厚度變化規(guī)律同梁高，中支點(diǎn)局部折線(xiàn)處理。中支點(diǎn)處支點(diǎn)橫梁厚1.8m，邊支點(diǎn)處支點(diǎn)橫梁厚1.2 m。除0＃塊外，設(shè)6個(gè)節(jié)段及中邊跨合龍段、邊跨現(xiàn)澆段，0＃節(jié)段長(zhǎng)12 m，1～3＃節(jié)段長(zhǎng)3.5 m，4～6＃節(jié)段長(zhǎng)4.0 m，合龍段長(zhǎng)2.0 m，采用掛籃懸臂澆筑工藝施工。主梁斷面見(jiàn)圖2、圖3所示。

圖2 主梁中支點(diǎn)斷面圖（單位：mm）

圖3 主梁跨中斷面圖（單位：mm）

3.3 預(yù)應(yīng)力體系

主橋上部結(jié)構(gòu)采用縱橫向預(yù)應(yīng)力體系，包括縱向鋼束，橋面板橫向鋼束和端橫梁鋼束。

預(yù)應(yīng)力鋼束的布置結(jié)合施工方法確定，縱向鋼束分批在主梁澆筑后進(jìn)行張拉，橋面板橫向鋼束在兩幅主梁及橋面板后澆帶澆筑完成后進(jìn)行張拉。端橫梁鋼束在兩幅主梁澆筑完成，后澆帶澆筑前進(jìn)行張拉?？v橫向預(yù)應(yīng)力均采用ΦS15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)。

4 橫向受力分析

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算概況

結(jié)構(gòu)橫向受力分析具體包括以下內(nèi)容：

（1）持久狀況下的應(yīng)力計(jì)算：

持久狀況下的應(yīng)力計(jì)算基于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）進(jìn)行。按A類(lèi)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件結(jié)構(gòu)要求，各項(xiàng)應(yīng)力控制在規(guī)范允許值內(nèi)。

（2）抗裂性計(jì)算：

對(duì)橋面板和橫梁的抗裂性進(jìn)行計(jì)算，滿(mǎn)足公路橋涵規(guī)范的規(guī)定。

（3）強(qiáng)度計(jì)算：

對(duì)橋面板和橫梁在持久狀況下承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，滿(mǎn)足公路橋涵規(guī)范的要求。

（4）撓度計(jì)算：

撓度計(jì)算在短期效應(yīng)組合基礎(chǔ)上，以撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)的形式，計(jì)入荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，并扣除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度。

（5）單側(cè)偏載應(yīng)力計(jì)算：

驗(yàn)算兩幅橋間單側(cè)偏載時(shí)橋面板的受力，計(jì)算兩幅橋間橋面板的應(yīng)力和位移。

4.2 橋面板橫向分析

橋面板澆筑分兩次進(jìn)行。施工中首先隨主梁分別澆筑兩幅橋面，完成澆筑和縱向鋼束張拉后主梁落架，再澆筑結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)處的后澆帶。單個(gè)箱室內(nèi)部寬度約5.5 m，兩幅主梁間橋面板寬度約為6 m，恒活載較大，因此橋面板中配置了橫向預(yù)應(yīng)力，在后澆帶澆筑完成后張拉。計(jì)算中分別模擬了相應(yīng)施工工況的有限元模型見(jiàn)圖4～圖6所示。

圖4 施工階段1有限元模型（分幅澆注主梁）

圖5 施工階段2有限元模型（澆注后澆帶）

圖6 施工階段3有限元模型（張拉橋面板橫向預(yù)應(yīng)力）

在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中橋面板跨中處后澆帶會(huì)承受正負(fù)彎矩的交替作用，上下翼緣都有可能受拉，根據(jù)計(jì)算情況對(duì)鋼束線(xiàn)形進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，計(jì)算得到的短期效應(yīng)組合上下緣正應(yīng)力詳見(jiàn)圖7、圖8所示。由圖7、圖8可以看出，短期組合下橋面板上緣拉應(yīng)力比較平均，橋面板下緣個(gè)別位置拉應(yīng)力較大，這是由于橫向預(yù)應(yīng)力管道為避讓縱向預(yù)應(yīng)力管道使其位置偏上而產(chǎn)生的，拉應(yīng)力均在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）允許值范圍內(nèi)。

圖7 橋面板短期效應(yīng)組合上緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖8 橋面板短期效應(yīng)組合下緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

橋面板橫向預(yù)應(yīng)力布置見(jiàn)圖9所示，橋面板橫向鋼束采用ΦS15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)，fpk=1860MPa，規(guī)格為ΦS15.2－4，縱向間距0.5 m。

圖9 橋面板橫向預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：mm）

由于兩幅橋的橋面板通過(guò)后澆帶相連，兩幅橋在不均勻活載作用下橋面板間會(huì)產(chǎn)生不均勻撓度，因此引起撓度差及橫橋向附加拉應(yīng)力。在設(shè)計(jì)中，建立了空間板單元計(jì)算模型，按最不利加載工況進(jìn)行加載，即一幅橋中跨滿(mǎn)布活載，另一幅橋兩側(cè)邊跨滿(mǎn)布活載。最不利活載加載布置見(jiàn)圖10所示。

圖10 不均勻荷載加載布置圖

計(jì)算結(jié)果表明，在不均勻荷載加載極端工況下,橋面板下緣最大拉應(yīng)力發(fā)生在結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)處，為1.2 MPa，上緣最大拉應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)側(cè)懸臂根部，為2.4 m，詳見(jiàn)圖11所示。橋面板豎向位移見(jiàn)圖12所示。

圖11 跨中橫向應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖12 跨中豎向位移示意圖（單位：mm）

將不對(duì)稱(chēng)活載作用下的應(yīng)力，與恒載、溫度等荷載產(chǎn)生的應(yīng)力按規(guī)范進(jìn)行組合，計(jì)算得到各控制截面短期組合和長(zhǎng)期組合下的應(yīng)力值，詳見(jiàn)表1所列。

表1 不對(duì)稱(chēng)活載作用下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表（單位：MPa）

從以上圖表可知，空間不均勻活載作用下橋面板滿(mǎn)足規(guī)范A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求。

4.3 中橫梁橫向分析

中橫梁位于中支點(diǎn)處，梁高3.2m，梁寬27.1m。中橫梁隨兩幅主梁分別澆筑，兩幅主梁澆筑完成后，再澆筑主梁間后澆帶連為一個(gè)整體。

如將中橫梁與相應(yīng)橋面板相連，結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)處汽車(chē)荷載部分沿橋面板縱向傳至中橫梁，部分沿橫向傳至箱梁腹板，受力不明確，如果偏保守計(jì)算則會(huì)導(dǎo)致材料用量不必要的增加，因此設(shè)計(jì)中未將主梁間中橫梁與橋面板相連，以避免橋面活載傳遞至中橫梁，確保橫梁受力明確。中橫梁計(jì)算模型見(jiàn)圖13所示。

圖13 中橫梁計(jì)算模型

中橫梁梁高較高，截面慣矩較大，抗彎能力較好。為充分利用梁高，中橫梁按鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不配置預(yù)應(yīng)力鋼束。根據(jù)受力情況上緣配置鋼筋Φ32@150，下緣配置鋼筋Φ16@150。

中橫梁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所列，由表2可知，中橫梁承載能力及裂縫寬度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表2 中橫梁計(jì)算結(jié)果表

4.4 端橫梁橫向分析

端橫梁位于邊支點(diǎn)處，梁高1.6m，梁寬27.1m，在挑臂外緣設(shè)置牛腿，以滿(mǎn)足人行步道的搭接。端橫梁隨兩幅主梁分別澆筑，兩幅主梁澆筑完成后，再澆筑后澆帶連為一個(gè)整體。

端橫梁按預(yù)應(yīng)力混凝土A類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)受力需要配置ΦS15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)，fpk=1860 MPa，規(guī)格為ΦS15.2－9，端橫梁預(yù)應(yīng)力布置詳見(jiàn)圖14所示。

圖14 端橫梁預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：mm）

根據(jù)端橫梁構(gòu)造及鋼束布置建立有限元分析模型見(jiàn)圖15，并將挑臂外緣搭接的人行步道作為荷載施加到模型挑臂處。

圖15 端橫梁計(jì)算模型

在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中端橫梁中央后澆帶會(huì)承受正負(fù)彎矩的交替作用，根據(jù)計(jì)算情況對(duì)鋼束線(xiàn)形進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算得到的短期效應(yīng)組合上下緣正應(yīng)力詳見(jiàn)圖16、圖17所示。從圖16、圖17可以看出，短期組合端橫梁上緣均為壓應(yīng)力，端橫梁下緣僅后澆帶處有0.2 MPa拉應(yīng)力，均在規(guī)范允許值范圍內(nèi)。

圖16 橋面板短期效應(yīng)組合上緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖17 橋面板短期效應(yīng)組合下緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

5 結(jié)語(yǔ)

威寧路橋限制條件較多，設(shè)計(jì)中需全面考慮各種影響因素。該橋橫橋向采用了左右分幅并通過(guò)后澆帶連為一體的結(jié)構(gòu)形式。本文根據(jù)各類(lèi)橫向構(gòu)件的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用了有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行橫向受力分析，目前該橋已經(jīng)順利完工通車(chē)。本文總結(jié)了威寧路橋橫向受力分析的內(nèi)容和關(guān)鍵點(diǎn)，為類(lèi)似橋梁的設(shè)計(jì)提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。

[1]E.C.漢勃利.橋梁上部構(gòu)造性能[M].北京：人民交通出版社,1982.

[2]雷俊卿.橋梁懸臂施工與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2000.

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