斜交45°現(xiàn)澆箱梁設(shè)計(jì)計(jì)算研究

萬夢(mèng)

招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400067

1 引言

由于項(xiàng)目路線跨越河道或者結(jié)構(gòu)物，為減小對(duì)結(jié)構(gòu)物的干擾或讓橋梁順適河道水流的流向，減小橋墩對(duì)河道的干擾同時(shí)能滿足通航需求等原因，在選取橋梁方案時(shí)采用斜交布跨的方式較多。特別在高速公路、一級(jí)公路等建設(shè)條件下，在采用斜交的情況下不僅能減小對(duì)結(jié)構(gòu)物和河道等因素的干擾，讓路線平面更加的舒適，還可以減小橋梁長度、節(jié)省造價(jià)，所以斜交橋梁在上訴工程中應(yīng)用廣泛。在采用斜交梁橋時(shí)其受力特性和正交梁橋在受力上有著較大的差異，由于支座是斜向布置導(dǎo)致了其扭剪效應(yīng)特別的突出。同時(shí)多跨的斜交連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力比簡支結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，在計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng)力，扭矩等控制更為的嚴(yán)謹(jǐn)。

坳頭大橋?yàn)榱诉m應(yīng)路線變寬故采用四跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)斜橋箱梁。坳頭大橋?yàn)檎w式橋梁，橋跨布置為8×30m，共2聯(lián)，本橋平、立面均處在曲線上，且橋跨處在變寬段，為了順應(yīng)瀏源河的水流方向和滿足行洪要求，橋跨斜45°布置。本橋上構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆箱梁橋，下構(gòu)橋墩為樁柱式橋墩，橋臺(tái)為重力式U型橋臺(tái)和擴(kuò)大基礎(chǔ)。

2 斜橋受力特點(diǎn)

斜橋的主要受力特點(diǎn)：

（1）在橋梁的鈍角位置的支座反力要大于其銳角位置的支座反力，同時(shí)銳角位置可能會(huì)出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象；斜交的角度越大，鈍角處的支座反力和銳角處的支座反力相差越大。

（2）斜交時(shí)支座采用的是斜向布置，支座位置有很大的扭矩。

（3）斜交橋梁在彎扭耦合作用下，跨中彎矩要比正交橋梁要小，斜角角度進(jìn)一步加大，其跨中彎矩折減越大；不過在彎扭作用下其跨中扭矩越越來越大。

（4）在活載、制動(dòng)力、溫度梯度、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等作用下，由于平面各個(gè)方向的位移不一致，使得平面出現(xiàn)彎矩，該作用讓橋梁出現(xiàn)鈍角方向朝銳角方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)；如果出現(xiàn)了使橋梁伸縮出現(xiàn)限制的因素出現(xiàn)，如梁端伸縮縫縫隙被堵住和預(yù)留空間不足等這類的情況出現(xiàn)，箱梁轉(zhuǎn)動(dòng)的形勢(shì)更大。

對(duì)于梁格法的橫向剛度，Midas幫助文件中有如下描述：“對(duì)斜交橋梁多用梁格法進(jìn)行建模。 可用斜交梁格或正交梁格來建模。對(duì)于斜交角度小于20時(shí)，使用斜交梁格是非常方便的。但是對(duì)于大角度的斜交橋，根據(jù)它的荷載傳遞特性，建議選用正交梁格，而且配筋時(shí)盡量沿正交方向配筋。”

坳頭大橋的構(gòu)件形式采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，跨徑為2x（4x30）m，斜交角度45度，汽車荷載采用公路Ⅰ級(jí)，箱梁選用C50混凝土，箱梁頂板厚度為25～50cm，底板厚度為22～37cm，腹板厚度為50～80cm，腹板變化段長度為5m，橋面寬度為21.13～30.17m，箱室為三室變四室。橋梁橫截面布置圖如圖1。

圖一 箱梁跨中橫截面布置圖

3 結(jié)構(gòu)建模分析

本橋采用Midas Civil建模分析，由于考慮到斜橋效應(yīng)本文建立兩種模型進(jìn)行對(duì)比，分別為正交梁格模型和單梁模型，Midas模型如圖二至圖四所示

圖二Midas梁格模型

圖三 劃分的梁格斷面

圖四 Midas單梁模型

Midas梁格模型中把箱梁劃分為五個(gè)縱梁，在實(shí)際的橫隔板處用橫梁模擬，橫向連接梁間用虛擬橫梁模擬，定義梁截面時(shí)選擇梁上緣對(duì)齊方式，支座點(diǎn)的建立，可由梁上緣對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)向下復(fù)制支座節(jié)點(diǎn)，并用剛性進(jìn)行梁與支座的連接，支座沿橋軸線法向方向斜45度布置。Midas單梁模型中支座點(diǎn)的建立采用正交布置。

4 梁格模型與單梁模型計(jì)算分析

圖五 梁格模型彎矩M-y圖

圖六 單梁模型彎矩M-y圖

圖七 梁格模型扭矩圖

圖八 單梁模型扭矩圖

經(jīng)計(jì)算梁格模型彎矩M-y在第一跨支點(diǎn)為-2628.8KN*m，第一跨跨中為6352.5KN*m；第二跨支點(diǎn)為-8288.5KN*m，第二跨跨中為5057.3 KN*m；第三跨支點(diǎn)為-6318.2 KN*m，第三跨跨中為4244.6KN*m；第四跨支點(diǎn)為-9189.4KN*m，第四跨跨中為6444.8KN*m。單梁模型彎矩M-y在第一跨支點(diǎn)為-4205.5KN*m，第一跨跨中為23108.9KN*m；第二跨支點(diǎn)為-37033.7KN*m，第二跨跨中為13137.4KN*m；第三跨支點(diǎn)為-21781.3KN*m，第三跨跨中為18442.1KN*m；第四跨支點(diǎn)為-48691.7KN*m，第四跨跨中為31949.2KN*m。

經(jīng)計(jì)算梁格模型扭矩在第一跨支點(diǎn)為1563.4KN*m，第一跨跨中為2684.3KN*m；第二跨支點(diǎn)為951.0KN*m，第二跨跨中為1262.0KN*m；第三跨支點(diǎn)為1320.0KN*m，第三跨跨中為923.0KN*m；第四跨支點(diǎn)為1054.7KN*m，第四跨跨中為2168.3KN*m。單梁模型扭矩計(jì)算結(jié)果幾乎為0。

由上述可以看出，用單梁模型的跨中和支點(diǎn)的彎矩M-y遠(yuǎn)大于梁格模型的彎矩M-y，但是單梁模型中扭矩幾乎處處為零，這樣子不符合斜橋的彎扭耦合作用計(jì)算依據(jù)。所以在計(jì)算斜橋時(shí)應(yīng)采用正交梁格模型。

根據(jù)梁格模型結(jié)算結(jié)果0號(hào)支點(diǎn)左側(cè)墩頂反力為634.6kN，右側(cè)墩頂反力為1367.3 kN；1號(hào)支點(diǎn)左側(cè)墩頂反力為1249.7 kN，右側(cè)墩頂反力為2855.3 kN；2號(hào)支點(diǎn)左側(cè)墩頂反力為1445.8kN，右側(cè)墩頂反力為1682.0kN；3號(hào)支點(diǎn)左側(cè)墩頂反力為1079.2 kN，右側(cè)墩頂反力為2855.3kN；4號(hào)支點(diǎn)左側(cè)墩頂反力為2739.5 kN，右側(cè)墩頂反力為1374.1kN。

斜交箱梁在自重作用下的支座反力不相同，銳角處出現(xiàn)較小反力，當(dāng)斜交角度越大時(shí)，銳角處有可能出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，斜交箱梁最大彎矩向鈍角方向靠攏，同時(shí)在自重作用下，斜交箱梁存在較大的扭矩，具有明顯的空間受力特性，這些效應(yīng)的大小與斜交角度大小也有很大的關(guān)系，斜交角度越大，上述效應(yīng)就越大，一般來說斜交角度小于20時(shí)，對(duì)于斜交橋的上述影響可以忽略，如果斜交角度超過20度，就必須考慮上述效應(yīng)的影響。

5 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)

預(yù)應(yīng)力效應(yīng)見圖九。

圖九 梁格法預(yù)應(yīng)力束形

計(jì)預(yù)應(yīng)力與不計(jì)預(yù)應(yīng)力時(shí)墩的反力取用該橋兩端的支座反力，其具體數(shù)據(jù)如下所示。

計(jì)預(yù)應(yīng)力時(shí)左側(cè)墩頂?shù)姆戳偤蜑?214.2KN，右側(cè)墩頂?shù)姆戳偤蜑?296.6KN；不計(jì)預(yù)應(yīng)力時(shí)左側(cè)墩頂?shù)姆戳偤蜑?270.1KN，右側(cè)墩頂?shù)姆戳偤蜑?307.6KN。計(jì)預(yù)應(yīng)力時(shí)1號(hào)支點(diǎn)左側(cè)墩頂反力為949.7KN, 右側(cè)為2855.3KN；不計(jì)預(yù)應(yīng)力時(shí)1號(hào)支點(diǎn)左側(cè)墩頂反力為538.5KN, 右側(cè)為4292.7KN。

由此可以得出：（1）由預(yù)應(yīng)力效應(yīng)引起的反力在合計(jì)的情況下幾乎與未計(jì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)下一樣，但是在各個(gè)支座上的有著區(qū)別。（2）預(yù)應(yīng)力效應(yīng)使得各個(gè)支座的反力更加的均勻。（3）預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)于斜交在各個(gè)支座上橋梁鈍角大和銳角處小的現(xiàn)象沒有影響。

6 結(jié)論

梁格法是橋梁結(jié)構(gòu)空間分析的一種有效方法，由于其具有基本概念清晰，易于理解和使用的特點(diǎn)，在進(jìn)行斜橋分析時(shí)往往采用該方法。斜交梁橋在彎扭耦合作用下其扭矩，剪力等要比正交梁橋大，空間受力特性更加明顯，故對(duì)于斜角角度大于15度的梁橋不宜采用單梁法來建模計(jì)算，而應(yīng)該采用更為合理的梁格法來進(jìn)行分析。

根據(jù)前幾節(jié)的結(jié)論，斜交梁橋其自身的受力特性，在耐久性和經(jīng)濟(jì)性等因素上有所欠缺。不過在設(shè)計(jì)上可以通過采用梁格法進(jìn)行計(jì)算后對(duì)于跨徑較大的橋梁增加跨中橫隔板，在橫梁處加大橫向鋼筋的配置，增設(shè)鈍角和銳角角域鋼筋等措施來緩解上述因素。