鄭州京廣路帶有大跨外伸橫梁的普鋼連續(xù)梁結(jié)構(gòu)分析

賈聰惠

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

鄭州京廣路帶有大跨外伸橫梁的普鋼連續(xù)梁結(jié)構(gòu)分析

賈聰惠

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

以鄭州市京廣路—沙口路快速通道（二期）工程為工程背景，對WN匝道中一聯(lián)帶有大跨外伸橫梁的普鋼連續(xù)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)了帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議。

大跨外伸橫梁；普鋼連續(xù)梁；結(jié)構(gòu)分析

0　引　言

城市高架橋設(shè)計(jì)過程中，由于現(xiàn)存和規(guī)劃的建筑、道路、河流駁岸以及各種管線的制約，橋墩位置的調(diào)整余地不大，使得橋梁地面布墩受限。此時(shí)，可采用門架式橋墩避讓，往往能較好地控制橋梁跨徑，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良[1]。當(dāng)門架式橋墩立柱的間距遠(yuǎn)大于橋?qū)挄r(shí)，橋梁上部結(jié)構(gòu)橫梁需外伸，而大跨外伸橫梁的存在將影響整個(gè)結(jié)構(gòu)受力，尤其對于跨徑不大的普鋼連續(xù)梁較為顯著。

1　工程概況

鄭州市京廣路—沙口路快速通道（二期）工程起點(diǎn)位于北三環(huán)與京廣路交叉口，終點(diǎn)至石蘇路，全長4.479 km。該工程共分為9個(gè)標(biāo)段，沿線需跨越1條現(xiàn)狀鐵路（京廣鐵路）、1條現(xiàn)狀河道（賈魯河），1條高速公路（連霍高速），全線共布置8條（4對）平行匝道,2條定向匝道。

主線高架橋標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?5.5 m，采用標(biāo)準(zhǔn)跨為3×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)大箱梁，梁高2 m，下部結(jié)構(gòu)采用雙肢H型墩；平行匝道橋標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?.0 m，采用標(biāo)準(zhǔn)跨為4×30 m/3×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高2 m，下部結(jié)構(gòu)采用花瓶橋墩；定向匝道橋標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?.5 m，平面曲線半徑較大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)跨為4×30 m/3×30 m左右的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高2.0 m；平面曲線半徑較小時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)跨為3×22 m/4×22 m左右的普鋼混凝土連續(xù)箱梁，梁高1.7 m。下部結(jié)構(gòu)采用花瓶橋墩。

圖1為連霍高速立交（9標(biāo)段）效果圖。

圖1　連霍高速立交（9標(biāo)段）

9標(biāo)段EN匝道橋?qū)?.4 m，設(shè)計(jì)為兩聯(lián)4×21 m的普鋼混凝土連續(xù)箱梁。根據(jù)地勘報(bào)告得知，墩Pen04、Pen05處地下埋有光纜和石油管道，為了避讓地下管線，在這兩處設(shè)置門架墩。如圖2所示，按照布墩距管線需一定的安全距離的原則[2]，墩Pen04立柱中心間距確定為12.8 m，立柱采用1.8 m×1.5 m的矩形截面，承臺尺寸為6.5 m×2.5 m；墩Pen05立柱中心間距確定為22.6m，立柱采用1.8 m×1.5 m的矩形截面，承臺尺寸為6.5 m×2.5 m。

圖2　EN匝道平面布置圖（單位：m）

9標(biāo)段NW匝道橋?qū)?.7 m，Pnw08～Pnw11聯(lián)設(shè)計(jì)為23 m+23 m+20 m的普鋼混凝土連續(xù)箱梁，因其上跨賈河路，為了避開地面道路，在墩Pnw09處設(shè)置門架墩。如圖3所示，墩Pnw09立柱中心間距確定為22 m，立柱采用1.8 m×1.5 m的矩形截面，承臺尺寸為6.5 m×2.5 m。

2　有限元分析計(jì)算

因墩Pnw09外伸橫梁跨徑22 m，斜交角度32.5°，且主梁位于外伸橫梁較中間的位置，橫梁受力較為不利，故選取NW匝道Pnw08～Pnw11聯(lián)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

圖3　NW匝道平面布置圖（單位：m）

2.1主梁構(gòu)造及配筋

Pnw08～Pnw11聯(lián)為普鋼混凝土連續(xù)箱梁，跨徑布置為23 m+23 m+20 m，橋?qū)?.7 m，梁高2.0 m，支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)上緣有效寬度范圍內(nèi)配置2×46根32鋼筋，跨中正彎矩區(qū)下緣配置2×27根32鋼筋，腹板配4層32的骨架鋼筋。

墩Pnw09橫梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，初步擬定為寬2.4 m，高2.2 m，其余橫梁均按普鋼橫梁配置鋼筋。

2.2大跨外伸橫梁配束

主梁縱向?yàn)槠胀ㄤ摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力外伸橫梁的預(yù)應(yīng)力張拉會影響主梁縱向受力[3]，故需要先確定預(yù)應(yīng)力外伸橫梁配束。

采用 MIDAS Civil有限元分析軟件建立Pnw08～Pnw11聯(lián)空間計(jì)算模型，橫梁Pnw09按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，不計(jì)預(yù)應(yīng)力（見圖4），通過計(jì)算得到外伸橫梁Pnw09的內(nèi)力，見表1。

圖4　有限元模型（外伸橫梁不計(jì)預(yù)應(yīng)力）

表1　外伸橫梁Pnw09計(jì)算內(nèi)力

外伸橫梁Pnw09按照受彎構(gòu)件初擬配束，如圖5所示，共配置4層φs15.2-15預(yù)應(yīng)力鋼束，每層6根。

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種以持續(xù)氣流受限為特征的疾病，與氣道和肺對有害顆粒和（或）氣體的慢性炎癥反應(yīng)增強(qiáng)有關(guān)。據(jù)全球疾病負(fù)擔(dān)研究（The Global Burden of Disease Study）估計(jì)，2020年COPD 將位居全球死亡原因的第 3 位[1]。

圖5　橫梁Pnw09預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖（單位：mm）

2.3計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型中計(jì)入橫梁Pnw09的預(yù)應(yīng)力配束，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，以下為計(jì)算結(jié)果。

（1）縱向主梁

由圖6～圖8可知，承載能力極限狀態(tài)組合作用下，主梁跨中最大彎矩為20 243 kN·m，小于38859kN·m（截面抗力），支點(diǎn)最大彎矩-24901kN·m，小于-58 787 kN·m（截面抗力）；斜截面最大剪力為6 166 kN，小于7 223 kN(截面抗力)，承載能力滿足規(guī)范要求[4，5]。

圖6　承載能力組合彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖7　承載能力組合剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖8　主梁上、下緣裂縫寬度圖（單位：mm）

短期效應(yīng)組合（考慮長期效應(yīng)組合影響）下，混凝土主梁跨中最大裂縫寬度為0.138 mm，支點(diǎn)最大裂縫寬度為0.146 mm，均小于0.2 mm，滿足規(guī)范要求[4，5]。

（2）外伸橫梁

根據(jù)《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》（JTJ D62—2004），按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行控制。

在短期效應(yīng)組合下，混凝土拉應(yīng)力應(yīng)該滿足：σst+σpc≤0.7 fck[5]。

由計(jì)算結(jié)果可知，外伸橫梁正截面混凝土最大壓應(yīng)力為14.9 MPa，短期效應(yīng)組合下未出現(xiàn)拉應(yīng)力，受力滿足規(guī)范要求。

實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，外伸橫梁預(yù)應(yīng)力配束的確定其實(shí)是一個(gè)反復(fù)計(jì)算的過程[6]。將橫梁初擬配束帶入整體空間模型后，由于縱向主梁和外伸橫梁的相互影響，此時(shí)外伸橫梁受力已于獨(dú)立的橫梁計(jì)算模型不同，橫梁初擬配束可能無法滿足結(jié)構(gòu)受力要求，需根據(jù)整體空間模型計(jì)算的橫梁內(nèi)力重新配置預(yù)應(yīng)力鋼束，通過如此反復(fù)迭代計(jì)算，最終確定橫梁配束使橫梁自身及縱向主梁受力均滿足要求。圖9、圖10分別為短期組合和標(biāo)準(zhǔn)組合上、下緣正應(yīng)力圖，圖11為承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果。

圖9　短期組合上、下緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖10　標(biāo)準(zhǔn)組合上、下緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖11　承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

3　結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

（1）該聯(lián)混凝土普鋼連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)縱、橫向比例接近，在進(jìn)行主梁縱向計(jì)算時(shí)已不能忽略大跨外伸橫梁Pnw09的剛度貢獻(xiàn)，同樣，在縱、橫交界區(qū)域內(nèi)的部分縱向主梁也會參與橫梁受力。

（2）根據(jù)有限元模型分析計(jì)算，在不計(jì)橫梁Pnw09預(yù)應(yīng)力的情況下，由于橫梁剛度弱，使得主梁在該處的豎向約束相當(dāng)于彈性支承，此時(shí)主梁成橋狀態(tài)發(fā)生34 mm（向下）豎向位移，即隨著外伸橫梁下?lián)峡v向主梁也發(fā)生變形。這樣就導(dǎo)致縱向主梁在橫梁Pnw09處的支點(diǎn)負(fù)彎矩削減，相應(yīng)增大了相鄰跨跨中正彎矩，從而需要增加縱向主梁的配筋。

外伸橫梁Pnw09配置預(yù)應(yīng)力束后，在預(yù)應(yīng)力作用下橫梁向上反拱，從而加強(qiáng)了主梁在該處的豎向支承，減小了其對外伸橫梁處支點(diǎn)負(fù)彎矩的削減。

由此可見，對帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續(xù)梁，預(yù)應(yīng)力外伸橫梁的配束對整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力影響很大，其配束不僅要滿足外伸橫梁自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，又要保證不增大縱向主梁的豎向彎矩。

（3）橫梁Pnw09跨徑22 m，跟主梁縱向跨徑接近，上部整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于雙向受力體系。當(dāng)橫梁處的支座在縱橋向因?yàn)槟承┰虿荒芑瑒訒r(shí)，對于橫梁而言，不僅要承受主體箱梁傳遞的豎向荷載，還要承受溫差、收縮徐變引起的縱向荷載。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)外伸橫梁Pnw09處支座縱向受約束時(shí)，考慮整體升溫20℃、整體降溫35℃，橫梁將產(chǎn)生18 300 kN·m的縱向彎矩，因此在橫梁配筋設(shè)計(jì)時(shí)，縱橋向也要設(shè)置足夠的抗彎及抗扭鋼筋，如圖12所示，保證外伸橫梁不發(fā)生縱向開裂破壞。

圖12　外伸橫梁縱向配筋圖（單位：mm）

4　結(jié)語

（1）帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續(xù)梁，上部結(jié)構(gòu)縱、橫向比例接近，因此結(jié)構(gòu)計(jì)算需要將縱橫向一起考慮，建立空間有限元分析模型。

（2）帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續(xù)梁，預(yù)應(yīng)力外伸橫梁的配束對整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力影響較大。

（3）大跨外伸橫梁跟主梁縱向跨徑接近，上部整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于雙向受力體系，因此在進(jìn)行大跨外伸橫梁配筋設(shè)計(jì)時(shí)，縱橋向也要設(shè)置足夠的抗彎及抗扭鋼筋，保證其不發(fā)生縱向開裂破壞。

[1]繆偉民.大跨度門架墩結(jié)構(gòu)計(jì)算分析 [J].中國水運(yùn),2010(4): 162-164.

[2]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，1997.

[4]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[5]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]..

[6]傅科奇,葉建龍.現(xiàn)澆連續(xù)箱梁大挑臂橫梁設(shè)計(jì)要點(diǎn) [J].公路交通技術(shù),2012(1):67-69.

U441

B

1009-7716（2016）04-0092-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.029

2015-12-10

賈聰惠（1986-），女，陜西寶雞人，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。