某變截面箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋靜力與穩(wěn)定性分析

宋衛(wèi)麗

（長(zhǎng)治市郊區(qū)交通運(yùn)輸局，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋因其具有良好的受力特性及成熟的施工技術(shù)，在橋梁建設(shè)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，尤其在西部山區(qū)地形應(yīng)用較廣，因此對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的分析尤為重要。

許多橋梁專家學(xué)者對(duì)連續(xù)剛構(gòu)這一橋型進(jìn)行了大量的分析研究。項(xiàng)貽強(qiáng)等人進(jìn)行了大跨徑單室預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的靜力特性空間分析，得出了所設(shè)計(jì)橋梁應(yīng)力不均勻系數(shù)對(duì)以后該類橋梁具有重要的理論意義和工程實(shí)踐指導(dǎo)[1]；潘鉆峰等人進(jìn)行了大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋主跨底板合龍預(yù)應(yīng)力束的空間效應(yīng)分析，得出了避免箱梁底板縱向開(kāi)裂的建議，供以后設(shè)計(jì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋提供參考設(shè)計(jì)[2]；孟新奇等人進(jìn)行了大跨徑剛構(gòu)橋梁跨中下?lián)蠁?wèn)題研究，得出了通過(guò)合理的設(shè)計(jì)與施工，可以使大跨徑剛構(gòu)橋梁跨中下?lián)蠁?wèn)題得到抑制[3]；羅旗幟進(jìn)行了變截面多跨箱梁橋剪滯效應(yīng)分析，為變截面剛構(gòu)橋的剪滯計(jì)算提供了資料[4]；劉心亮等人進(jìn)行了變截面混凝土箱梁底板縱向開(kāi)裂分析與加固，歸納了預(yù)應(yīng)力束防崩力的計(jì)算方法供橋梁建設(shè)參考[5]；司徒毅等人進(jìn)行了連續(xù)剛構(gòu)橋主梁基于勢(shì)能變分原理的剪力滯效應(yīng)，得出了頂板應(yīng)力橫向變化較底板大[6]；劉楊等人進(jìn)行了鋼管混凝土高墩連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠指標(biāo)計(jì)算方法，得出了一種方法迭代次數(shù)少，效率較高，可實(shí)現(xiàn)同類橋梁功能函數(shù)重構(gòu)和體系可靠度計(jì)算[7]；黃文機(jī)等人進(jìn)行了福建的剛構(gòu)橋分析，通過(guò)這些典型剛構(gòu)橋的計(jì)算與剖析，對(duì)這類體系橋梁的受力及其適用范圍作了評(píng)述，并提出若干建議[8]；劉榕等人進(jìn)行了山店江大橋高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析，通過(guò)實(shí)例分析為連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)提供參考[9]；陳浩等人進(jìn)行了大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期下?lián)铣梢蚍治雠c建議，通過(guò)對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期下?lián)系闹饕蜻M(jìn)行分析，得出一些有意義的建議和措施，以供參考[10]；鞏春領(lǐng)等人進(jìn)行了大跨徑剛構(gòu)連續(xù)組合梁橋整體受力分析與探討，通過(guò)探討大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的力學(xué)特點(diǎn)和使用性能，對(duì)于完善大跨徑剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的設(shè)計(jì)理論、指導(dǎo)工程施工、確保結(jié)構(gòu)安全、設(shè)計(jì)合理等方面都具有重要的參考價(jià)值[11]；楊愛(ài)武進(jìn)行了連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁受力及影響參數(shù)分析，分析了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)箱型截面主梁的受力行為，并對(duì)影響箱梁受力的一些主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析[12]。本文以一座三跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，建立有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力與穩(wěn)定性分析。

1 工程項(xiàng)目概況及有限元模型

該橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為69 m+124 m+69 m，全長(zhǎng)262 m。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為1.0 m（人行道）+8 m（行車道）+1.0 m（人行道）=10.0 m，橋墩采用雙薄壁墩，樁基為鉆孔樁基礎(chǔ)。

計(jì)算分析采用有限元軟件，在模擬分析時(shí)主梁與橋墩均采用空間梁?jiǎn)卧?，墩梁采用剛性連接，墩底采用固結(jié)。有限元模型中共劃分601個(gè)單元，其中上部梁體161個(gè)單元，下部結(jié)構(gòu)440個(gè)單元。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2 靜力荷載分析

2.1 設(shè)計(jì)荷載

進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載分析的主要依據(jù)為參考文獻(xiàn)[13]。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載分析的參數(shù)：

a）設(shè)計(jì)荷載 公路-I級(jí)，人群3.5 kN/m2；

b）體系溫度 根據(jù)當(dāng)?shù)卦缕骄罡邭鉁睾妥畹蜌鉁厍闆r，綜合考慮后計(jì)算取體系升溫20℃，體系降溫20℃；

c）主梁不均勻溫差 升溫溫差T1=14℃，T2=5.5℃，降溫溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃；

d）收縮徐變 按JTG D60—2004規(guī)范取值，計(jì)算到3 650 d，濕度按80%計(jì)；

e）不均勻沉降 橋墩考慮10 mm沉降。

2.2 靜力分析

本橋按照全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，進(jìn)行了短期效應(yīng)組合的抗裂性驗(yàn)算，持久狀況下構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算，主梁承載能力驗(yàn)算。

2.2.1 短期效應(yīng)組合驗(yàn)算

主梁在短期效應(yīng)組合下，經(jīng)計(jì)算得知：

a）主梁上緣均為壓應(yīng)力，其中墩頂處壓應(yīng)力為-1.87 MPa，中跨跨中壓應(yīng)力為-1.26 MPa，邊跨跨中壓應(yīng)力為-1.47 MPa。

b）主梁下緣均為壓應(yīng)力，其中墩頂壓應(yīng)力為-6.15 MPa，中跨跨中壓應(yīng)力為-1.08 MPa，邊跨跨中壓應(yīng)力為-2.82 MPa。

c）主梁上下緣最大壓應(yīng)力均發(fā)生在橋墩截面處，均滿足規(guī)范限值，主梁不考慮豎向預(yù)應(yīng)力作用的主拉最大應(yīng)力發(fā)生在橋墩截面處，大小為0.931 MPa，滿足規(guī)范要求的1.425 MPa。圖2給出了短期效應(yīng)組合下主拉應(yīng)力包絡(luò)示意圖。

圖2 短期效應(yīng)組合主拉應(yīng)力包絡(luò)示意圖（不含豎向預(yù)應(yīng)力，包含剪扭）

2.2.2 持久狀況效應(yīng)驗(yàn)算

《公橋規(guī)》第7.1.5條明文規(guī)定：要驗(yàn)算使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的壓應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力。

主梁在持久狀況標(biāo)準(zhǔn)值組合下，經(jīng)計(jì)算得知：

a）上緣均為壓應(yīng)力，其中墩頂壓應(yīng)力為-15.78 MPa，中跨跨中壓應(yīng)力-15.42 MPa，邊跨跨中壓應(yīng)力為-14.54 MPa，均滿足規(guī)范要求。

b）下緣都是壓應(yīng)力，其中墩頂壓應(yīng)力為-7.74 MPa，中跨跨中壓應(yīng)力為-10.14 MPa，邊跨跨中壓應(yīng)力為-7.34 MPa；均滿足規(guī)范要求。限于篇幅，此處圖3僅給出主壓應(yīng)力包絡(luò)示意圖。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)值組合主壓應(yīng)力包絡(luò)示意圖

經(jīng)計(jì)算得知，預(yù)應(yīng)力鋼筋在施工及運(yùn)營(yíng)階段都滿足規(guī)范要求，表1給出了部分預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果。

表1 幾組預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 MPa

2.2.3 主梁承載能力驗(yàn)算

主梁承載能力驗(yàn)算結(jié)果如圖4和圖5，由計(jì)算結(jié)果可知，主梁正截面抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

圖4 最大彎矩及對(duì)應(yīng)的抗力圖

圖5 最小彎矩及對(duì)應(yīng)的抗力圖

3 穩(wěn)定性分析

首先對(duì)全橋進(jìn)行了模態(tài)分析，經(jīng)模態(tài)分析知全橋的一階自振頻率為0.25 Hz，一階振型為橋墩順橋向彎曲。表2給出了該橋前四階模態(tài)的頻率與振型描述。

表2 全橋前四階模態(tài)

進(jìn)行了成橋階段和施工最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性，由計(jì)算可知，成橋狀態(tài)全橋最小穩(wěn)定安全系數(shù)為10.46，施工最大懸臂狀態(tài)的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為9.09，為左墩先失穩(wěn)（右墩的高度小于左墩）。由此可知，不管是成橋階段還是施工最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性都滿足規(guī)范要求。

圖6 成橋階段全橋穩(wěn)定性安全系數(shù)最小模態(tài)

圖7 施工懸臂狀態(tài)的左墩失穩(wěn)模態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元軟件建立連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的三維有限元模型，對(duì)該連續(xù)剛構(gòu)橋的靜力荷載與穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

a）對(duì)于靜力荷載分析方面 采用全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，進(jìn)行了短期效應(yīng)組合的抗裂性驗(yàn)算、持久狀況下構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算、主梁承載能力驗(yàn)算，各驗(yàn)算項(xiàng)目均符合規(guī)范要求。

b）對(duì)于穩(wěn)定性分析 分析了成橋階段和施工最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該橋設(shè)計(jì)在靜力作用下的應(yīng)力狀態(tài)與承載力完全滿足規(guī)范要求，成橋階段與施工狀態(tài)的穩(wěn)定性也滿足規(guī)范要求。該橋的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算分析結(jié)果可以為相關(guān)類似工程項(xiàng)目提供一定的借鑒。