大曲率連續(xù)剛構(gòu)人行天橋受力分析

戚澤遠(yuǎn)

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司,上海 200092）

1 前言

近幾年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各地的城市化運(yùn)動(dòng)也是如火如荼。城市里房屋密集，路線復(fù)雜，交叉口眾多，交通運(yùn)輸能力是一個(gè)城市能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵,由于受周?chē)h(huán)境的限制，同時(shí)也需要考慮到景觀的要求，立體交通是一個(gè)常見(jiàn)的、合理的方案。在城市中的立交橋工程中，由于結(jié)構(gòu)比較密集，路線繁多，且各種公共設(shè)施和管道密布，因而在設(shè)計(jì)立交橋時(shí)，其橋墩幾乎都是預(yù)先指定位置甚至是指定尺寸，線形的曲折幾乎不可避免，此時(shí)就需要建造曲線型橋梁。曲線橋梁中，橋跨的重心并不在兩墩連線的中點(diǎn)上，即使在自重作用下，橋跨也會(huì)產(chǎn)生扭矩，無(wú)論在恒載或活載作用下，彎曲和扭轉(zhuǎn)總是耦合的，這導(dǎo)致曲線橋的內(nèi)力和變形計(jì)算趨于復(fù)雜化，故曲線橋一般采用具有良好抗扭性能的箱形斷面。然而，曲線橋鋼箱梁的各個(gè)腹板內(nèi)力分配比直線橋更加復(fù)雜，給設(shè)計(jì)造成一定的難題。本文以上海某一大曲率鋼箱梁連續(xù)剛構(gòu)人行天橋?yàn)楸尘?，分析天橋受力的分配情況，為工程設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 曲線梁受力分析

2.1 工程概況

本橋跨徑組合為（2.9+31.839+36+24+36.167+0.6）=131.506m。主橋中心線為平面S形曲線：5.692m直線+29.322m圓?。≧=21m）+43.73m直線+29.322m圓弧（R=21m）+23.441m直線。考慮到曲線橋易出現(xiàn)支座負(fù)反力，此橋采用P1～P4墩墩頂與梁底固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)形式，P5墩處設(shè)壓重抵消負(fù)反力（本文意在分析結(jié)構(gòu)的受力分配問(wèn)題，故計(jì)算模型中暫不計(jì)入壓重，可能P5墩會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，但不影響結(jié)論），其中P1、P3、P5墩位于直線段，P2、P4墩位于曲線段。主梁采用等高度鋼箱梁，梁高1.4m，箱梁全寬9.34m。

由于空間限制，橋梁的P1～P4墩的尺寸最大只能做成1.4m（橫橋向）×1.0m（縱橋向），立柱的橫橋向?qū)挾?.4m僅兩道中腹板的間距相等，所以墩頂橋梁腹板的受力分配情況是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2.2 板單元模型

本橋采用Midas Civil按照實(shí)際跨徑分別建立曲線橋和直線橋兩個(gè)板單元模型，分析相同條件下曲線橋和直線橋腹板間內(nèi)力分配的不同。模型共有節(jié)點(diǎn)7410個(gè)，單元9120個(gè)，墩墩柱與基礎(chǔ)之間是彈性支撐，各個(gè)方向的剛度采用按“m”法計(jì)算的樁基實(shí)際剛度。橋梁共四跨，P1～P4為墩梁固結(jié)，P5墩為雙支座支撐。腹板共四道，兩道邊腹板，兩道中腹板，腹板編號(hào)按方向?yàn)?～4號(hào)。

2.3 支撐反力分析

恒載分布比較均勻，從恒載在各個(gè)墩位的分配可以清晰地看出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配情況。取計(jì)算模型的恒載（自重+二期）作用下支撐反力分析，見(jiàn)表1：

表1 各墩位處支撐反力計(jì)算結(jié)果

表1列出了相同跨徑的曲線橋和直線橋支撐反力的計(jì)算結(jié)果。由于P1～P4墩處是墩梁固結(jié)，P1～P4墩給出的是墩底反力，P5墩給出的是支座反力。對(duì)比結(jié)果可得以下結(jié)論：

（1）相同跨徑下，曲線橋和直線橋的豎向反力分布基本一致，說(shuō)明橋梁的曲率對(duì)結(jié)構(gòu)豎向力力的分配影響很小。

（2）曲線橋在橫橋向存在橫向反力，橫向反力沿曲梁的彎曲徑向方向，但是數(shù)據(jù)均不大，基本在該處豎向力的5%以?xún)?nèi)，對(duì)設(shè)計(jì)影響不大。直線橋墩底無(wú)橫向反力。

2.4 箱梁腹板剪力分配分析

分析箱梁腹板剪力分配的目的是更好的分析墩梁固結(jié)處的受力情況，由于固結(jié)處存在應(yīng)力集中效應(yīng)，取P2～P4墩距墩頂2m處作為分析點(diǎn)，分析恒載（自重+二期）作用下箱梁腹板的剪力分配情況。

2.4.1 直線橋腹板剪力分配

直線橋腹板剪力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2與表3.

表2 直線橋P2～P4墩腹板剪力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）

表3 直線橋P2～P4墩腹板剪力分配表

由表2、表3可見(jiàn)直線橋的腹板剪力分配比較規(guī)律，由于立柱寬度僅與兩道中腹板的距離相等，所以剪力主要集中在中腹板，中腹板共分配剪力約67%～69%，邊腹板分配剪力約31%～33%。每道中腹板所分配的剪力基本為每道邊腹板的兩倍，而且分配的比例幾乎不會(huì)隨著墩位的不同而變化。

2.4.2 曲線橋腹板剪力分配

曲線橋腹板剪力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4與表5.

表4 曲線橋P2～P4墩腹板剪力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）

表5 曲線橋P2～P4墩腹板剪力分配表

表5顯示曲線橋每個(gè)墩位處每道中腹板所分配的剪力基本為每道邊腹板的兩倍，這個(gè)比例基本與直線橋一致。但是，P2、P4墩處兩道中腹板分配的剪力明顯不同，彎曲內(nèi)側(cè)的中腹板基本比彎曲外側(cè)的中腹板大15%～20%。P3墩處于直線段，所以腹板分配比例與直線橋基本一致。

可知，在曲線橋的直線段的墩位，腹板剪力分配情況與直線橋基本一致；在曲線段的墩位，彎曲內(nèi)側(cè)的中腹板基本比彎曲外側(cè)的中腹板大15%～20%。

3 結(jié)論

本文以上海某大曲率鋼箱梁連續(xù)剛構(gòu)人行天橋?yàn)楸尘?，通過(guò)建模計(jì)算，分析了曲線橋、直線橋受力分配的情況，主要得到了以下結(jié)論：

（1）相同跨徑下，曲線橋和直線橋的豎向反力分布基本一致；曲線橋在橫橋向存在橫向反力，橫向反力沿曲梁的彎曲徑向方向，但是數(shù)據(jù)不大，對(duì)設(shè)計(jì)影響不大。

（2）直線橋的腹板剪力分配比較規(guī)律，剪力主要集中在中腹板，每道中腹板所分配的剪力基本為每道邊腹板的兩倍，而且分配的比例幾乎不會(huì)隨著墩位的不同而變化。

（3）曲線橋每個(gè)墩位處每道中腹板所分配的剪力基本為每道邊腹板的兩倍，此比例基本與直線橋一致。但是，兩道中腹板分配的剪力有所不同，彎曲內(nèi)側(cè)的中腹板基本比彎曲外側(cè)的中腹板大15%～20%。

可以看出，與直線橋相比，曲線橋在內(nèi)力分配上與直線橋差距并不大（支座反力分配基本一致，豎向反力彎曲內(nèi)側(cè)中腹板僅比彎曲外側(cè)的中腹板大15%～20%），設(shè)計(jì)時(shí)僅是考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)的整體性以解決彎橋的彎扭耦合問(wèn)題，另外考慮墩梁固結(jié)處的局部受力問(wèn)題即可。

[1]CJJ 69-1995. 城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].1996.

[2]GB50017-2003. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2003.

[3]CJJ 11-2011. 城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2011.

[4]GB/T 714-2008. 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼[S].2008.