大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)影響分析

摘要：為研究大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁不同設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響，文章以某98 m+180 m+ 98 m大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，選取了主梁邊中跨比、梁底曲線冪次、跨中梁高和支點梁高4個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，分別分析了不同設(shè)計參數(shù)主梁在自重作用下的內(nèi)力、應(yīng)力及最大撓度變化情況，得出了主梁不同設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響程度，為大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁在參數(shù)選取與截面設(shè)計方面提供一定的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋;主梁;設(shè)計參數(shù);邊中跨比;梁底曲線冪次;跨中梁高;支點梁高

中圖分類號：U448. 23文獻標識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 036

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0131 - 06

0 引言

大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其受力合理、行車舒適、施工方便、跨越能力大等優(yōu)點在我國橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而由于大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計參數(shù)眾多，受力復(fù)雜，在參數(shù)選取與截面設(shè)計中受設(shè)計人員工作經(jīng)驗影響，往往存在一些因參數(shù)設(shè)計不合理而導(dǎo)致橋梁病害發(fā)生的問題[2-4]。

為研究大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁不同設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響，近年來，國內(nèi)學(xué)者對此作了不少研究。文獻[5]對主梁自重、混凝土收縮徐變、溫度、主梁彈模等進行了不同程度的參數(shù)敏感性分析，研究發(fā)現(xiàn)主梁自重、混凝土收縮徐變、溫度等因素為主梁主要敏感性參數(shù)，主梁彈模為次要敏感性參數(shù)。文獻[6]也做了類似的參數(shù)分析。文獻[7、8]則以某連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，分析了梁底曲線變化對主梁受力狀態(tài)的影響。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，以某98 m+ 180 m+ 98 m大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，選取主梁邊中跨比、梁底曲線冪次、跨中梁高和支點梁高4個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，分別分析不同設(shè)計參數(shù)主梁在自重作用下的內(nèi)力、應(yīng)力及跨中最大撓度的變化情況，為大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁在參數(shù)選取與截面設(shè)計方面提供一定的參考與借鑒。

1 工程背景簡介及原始模型建立

1.1 工程背景簡介

本橋為三跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為98 m+ 180 m+ 98 m，上構(gòu)主梁為單箱單室箱梁，其支點與跨中橫斷面如下頁圖1所示。箱梁底部曲線冪次采用1.7次，采用懸臂現(xiàn)澆施工，主梁采用C55混凝土。下構(gòu)采用雙肢薄壁墩，橫橋向壁寬8m，順橋向壁厚1.8m，雙肢中心間距為7.8m，墩身采用C40混凝土，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。

1.2 原始模型建立

采用Midas Civil 2019軟件建立結(jié)構(gòu)整體有限元模型（如圖2所示）。全橋共劃分為202個梁單元，其中上構(gòu)11 2個梁單元，下構(gòu)90個梁單元。

2 不同邊中跨比主梁受力影響分析

經(jīng)國內(nèi)外統(tǒng)計表明，大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁邊中跨比大部分在0. 55～0. 58之間，故本文分別選取邊跨長94 m、98 m、102 m、106 m、110 m五組參數(shù)，保持中跨180 m不變，則五組參數(shù)的邊中跨比分別為0. 522、0.544、0.566、0.588、0.611。根據(jù)選取的五組參數(shù)，分別建立結(jié)構(gòu)有限元模型，分析不同邊中跨比主梁在自重作用下的內(nèi)力、應(yīng)力及邊跨最大撓度的變化情況。

2.1 自重作用下主梁內(nèi)力分析

自重作用下不同邊中跨比主梁邊跨關(guān)鍵截面內(nèi)力有限元計算結(jié)果如表1所示。

分析表1可知：自重作用下主梁邊跨支點、L/8、L/4、L/2截面彎矩隨邊中跨比增大而增大，3L/8截面彎矩隨邊中跨比增大而減小，邊中跨比越大，變化速率越快，離L/4截面越近，變化速率越緩。

自重作用下主梁邊跨截面剪力隨邊中跨比增大而增大，邊中跨比越大，變化速率越快，離//4截面越近，變化速率越緩。

2.2 自重作用下主梁應(yīng)力分析

自重作用下不同邊中跨比主梁邊跨關(guān)鍵截面上下緣應(yīng)力有限元計算結(jié)果如表2所示。

分析表2可知：自重作用下主梁應(yīng)力變化與彎矩類似，邊跨支點、L/8、L/4、L/2截面上下緣應(yīng)力隨邊中跨比增大而增大，3//8截面上下緣應(yīng)力隨邊中跨比增大而減小，離L/4截面越近，變化速率越緩。

2.3 自重作用下主梁邊跨最大撓度分析

自重作用下不同邊中跨比主梁邊跨最大撓度有限元計算結(jié)果如表3所示。

分析表3可知：自重作用下主梁邊跨最大撓度隨邊中跨比增大而增大，邊中跨比越大，變化速率越快。

3 不同梁底曲線冪次主梁受力影響分析

經(jīng)國內(nèi)外統(tǒng)計表明，大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁梁底曲線冪次大部分在1.6～2.0O之間，故本文選取梁底曲線冪次1.6、1.7、1.8、1.9、2.0五組參數(shù)。根據(jù)選取的五組參數(shù)，分別建立結(jié)構(gòu)有限元模型，分析不同梁底曲線冪次主梁在自重作用下的內(nèi)力、應(yīng)力及跨中最大撓度的變化情況。

3.1 主梁自重變化分析

不同梁底曲線冪次主梁自重計算結(jié)果如表4所示。

分析表4可知：主梁自重隨梁底曲線冪次增大而減少，但減少百分比不大，變化規(guī)律接近線性。若單從混凝土方量考慮，梁底曲線冪次對主梁經(jīng)濟性影響較小。

3.2 自重作用下主梁內(nèi)力分析

自重作用下不同梁底曲線冪次主梁關(guān)鍵截面內(nèi)力有限元計算結(jié)果如表5所示。

分析表5可知：自重作用下主梁截面內(nèi)力隨梁底曲線冪次增大而減少，梁底曲線冪次越大，變化速率越緩，離支點越近，變化幅度越大，變化速率越快。

3.3 自重作用下主梁應(yīng)力分析

自重作用下不同梁底曲線冪次主梁關(guān)鍵截面上下緣應(yīng)力有限元計算結(jié)果如表6所示。

分析表6可知：自重作用下主梁支點截面應(yīng)力隨梁底曲線冪次增大而減少，L/8、L/4、3L/8截面應(yīng)力隨梁底曲線冪次增大而增大，L/2截面應(yīng)力幾乎無變化。截面應(yīng)力變化最大為主梁L/4截面，尤其是下緣應(yīng)力變化。由此可見，梁底曲線冪次是影響主梁L/4截面應(yīng)力變化的一個重要因素。

3.4 自重作用下主梁跨中最大撓度分析

自重作用下不同梁底曲線冪次主梁跨中最大撓度有限元計算結(jié)果如表7所示。中梁高與中跨之比大部分在1/50～1/60之間，故本文選取跨中梁高3.00 m、3.25 m、3.50 m、3.75 m、4. 00 m五組參數(shù)，保持中跨180 m不變，則五組參數(shù)與中跨之比分別為1/60.0、1/55. 4、1/51.4、1/48.0、1/45.0。根據(jù)選取的五組參數(shù)，分別建立結(jié)構(gòu)有限元模型，分析不同跨中梁高主梁在自重作用下的內(nèi)力、應(yīng)力及跨中最大撓度的變化情況。

4.1 主梁自重變化分析

不同跨中梁高主梁自重計算結(jié)果如表8所示。

分析表7可知：自重作用下主梁跨中最大撓度隨梁底曲線冪次增大而增大，變化規(guī)律接近線性。

4不同跨中梁高主梁受力分析

經(jīng)國內(nèi)外統(tǒng)計表明，大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨

分析表8可知：主梁自重隨跨中梁高增大而增大，但增大百分比有限，變化規(guī)律接近線性。同樣，若單從混凝土方量考慮，跨中梁高對主梁經(jīng)濟性影響較小。

4.2 自重作用下主梁內(nèi)力分析

自重作用下不同跨中梁高主梁關(guān)鍵截面內(nèi)力有限元計算結(jié)果如表9所示。

分析表9可知：自重作用下主梁截面內(nèi)力隨跨中梁高增大而增大，離支點越近，變化幅度越大，變化規(guī)律接近線性。

4.3 自重作用下主梁應(yīng)力分析

自重作用下不同跨中梁高主梁關(guān)鍵截面上下緣應(yīng)力有限元計算結(jié)果如表10所示。

分析表10可知：自重作用下主梁支點截面應(yīng)力隨跨中梁高增大而增大，應(yīng)力變化較明顯，L/8、//4、3L/8、L/2截面應(yīng)力隨梁高增大而減少，L/4及3L/8截面應(yīng)力變化最明顯。由此可見，跨中梁高是影響主梁L/4及3L/8截面應(yīng)力變化的一個重要因素。

4.4 自重作用下主梁跨中最大撓度分析

自重作用下不同跨中梁高主梁跨中最大撓度有限元計算結(jié)果如表11所示。

分析表11可知：自重作用下主梁跨中最大撓度隨跨中梁高增大而減少，變化甚微。

5 不同支點梁高主梁受力分析

經(jīng)國內(nèi)外統(tǒng)計表明，大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁支點梁高與中跨之比大部分在1/17～1/20之間，故本文選取支點梁高9.00 m、9.50 m、10.00 m、10. 50 m、11.00 m五組參數(shù)，保持中跨180 m不變，則五組參數(shù)與中跨之比分別為1/20.0、1/18.9、1/18.O、1/17.1、1/16.3。根據(jù)選取的五組參數(shù)，分別建立結(jié)構(gòu)有限元模型，分析不同支點梁高主梁在自重作用下的內(nèi)力、應(yīng)力及跨中最大撓度的變化情況。

5.1 主梁自重變化分析

不同支點梁高主梁自重計算結(jié)果如表12所示。

分析表12可知：主梁自重隨支點梁高增大而增大，但增大百分比有限，變化規(guī)律接近線性。同樣，若單從混凝土方量考慮，支點梁高對主梁經(jīng)濟性影響較小。

5.2 自重作用下主梁內(nèi)力分析

自重作用下不同支點梁高主梁關(guān)鍵截面內(nèi)力有限元計算結(jié)果如表13所示。

分析表13可知：自重作用下主梁截面內(nèi)力隨支點梁高增大而增大，離支點越近，變化幅度越大，變化規(guī)律接近線性。

5.3 自重作用下主梁應(yīng)力分析

自重作用下不同支點梁高主梁關(guān)鍵截面上下緣應(yīng)力有限元計算結(jié)果如表14所示。

分析表14可知：自重作用下主梁截面應(yīng)力隨支點梁高增大而減少，支點梁高越大，變化速率越緩，離支點越近，變化幅度越大，變化速率越快，支點及L/8截面應(yīng)力變化最明顯。由此可見，支點梁高是影響主梁支點及L/8截面應(yīng)力變化的一個重要因素。

5.4 自重作用下主梁跨中最大撓度分析

自重作用下不同支點梁高主梁跨中最大撓度有限元計算結(jié)果如表15所示。

分析表15可知：自重作用下主梁跨中最大撓度隨支點梁高增大而減少，支點梁高越大，變化速率越緩。

6 結(jié)語

大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋不同設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力影響有所不同。主梁自重作用下，邊中跨比對主梁邊跨L/4截面受力影響最小，離L/4截面越遠，受力影響越大;梁底曲線冪次對主梁L/4截面受力影響最大，對跨中截面影響最小;跨中梁高對主梁L/4及3L/8截面受力影響較大，對L/8截面影響最小;支點梁高則對主梁支點及L/8截面受力影響較大，對跨中截面影響最小。此外，梁底曲線冪次、跨中梁高、邊中跨比對主梁自重作用下最大撓度影響有限，支點梁高對主梁最大撓度影響較大。

因此，在大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁設(shè)計中，若因截面設(shè)計不合理而導(dǎo)致主梁驗算難以滿足規(guī)范要求[9-10]（或所計算儲備值偏小）時，根據(jù)不合理截面位置，應(yīng)有針對性地調(diào)整主梁對應(yīng)設(shè)計參數(shù)，修改設(shè)計截面，能快速將主梁調(diào)整到合理的受力狀態(tài)。該思路已在實橋設(shè)計中得以應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

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作者簡介：張維軍（1987-），工程師，主要從事公路工程施工和管理工作。