人行景觀大縱坡PC連續(xù)梁力學(xué)性能研究

任新建

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市景觀橋梁除需滿足功能需求外，還需滿足人們對景觀美學(xué)的要求。在城市建設(shè)中，受兩廂已開發(fā)地塊及擬跨越道路凈高需求的影響，常規(guī)小縱坡橋梁難以滿足區(qū)域標(biāo)高要求。大縱坡人行景觀預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁的建設(shè)投資較小，輔以景觀造型護(hù)欄，在滿足景觀要求、保證工程投資經(jīng)濟(jì)性的同時，還能順接兩廂地塊標(biāo)高。CJJ 11-2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》對橋梁縱坡i的要求為0.3%≤i≤8%，JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》要求i不大于4%。城市人行景觀橋只服務(wù)于往來人群及部分非機(jī)動車，參考GB 50763-2012《無障礙設(shè)計(jì)規(guī)范》，橋梁縱坡不應(yīng)大于1∶12。在常規(guī)PC連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算中，縱坡小于3.5%時，可按照平直橋梁進(jìn)行有限元計(jì)算，其結(jié)果與考慮縱坡情況下計(jì)算的上部結(jié)構(gòu)結(jié)果差距較小。但縱坡大于3.5%時，在外部荷載作用下，在變坡點(diǎn)位置，上部結(jié)構(gòu)可能表現(xiàn)出拱軸效應(yīng)，且由于連續(xù)梁屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在各類效應(yīng)如預(yù)應(yīng)力、溫度等反復(fù)作用下，將影響結(jié)構(gòu)支反力、內(nèi)力。該文依托某縱坡為8%的人行景觀PC連續(xù)梁，基于有限元計(jì)算，分析外部荷載作用下大縱坡對PC連續(xù)梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

1 工程概況

某人行景觀PC連續(xù)梁位于公園核心廣場，跨越道路連接兩側(cè)公園，橋梁滿足跨越道路車行道4.5 m的凈高要求設(shè)計(jì)。跨徑布置為(20+26+15) m，中間高兩端低，全橋共設(shè)置兩段縱坡，均為8%，中跨縱坡交接處設(shè)置R=100 m的圓弧曲線。設(shè)計(jì)橋面寬度為6.3 m，其中包含0.9 m種植槽+0.25 m欄桿+4.0 m通行凈寬+0.25 m欄桿+0.9 m種植槽。橋梁橫向設(shè)置2%橫坡，斷面為整體式箱梁，墩頂梁高1.8 m，跨中及邊跨支點(diǎn)梁高1.2 m，變截面采用二次拋物線漸變。橋梁平面線形為直線，與道路中心線交角為90°。下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩、樁接蓋梁式輕型橋臺。預(yù)應(yīng)力鋼束采用1860鋼絞線，通長布置，共設(shè)置6束預(yù)應(yīng)力鋼絞線。橋梁總體布置見圖1～3。

圖1 橋梁橋型布置(單位：標(biāo)高為m，其他為cm)

圖2 橋梁墩頂斷面(單位：cm)

圖3 橋梁跨中斷面(單位：cm)

2 有限元模型

以常規(guī)無縱坡PC連續(xù)梁計(jì)算模型為比較對象，同時建立含縱坡的結(jié)構(gòu)模型，有限元模型共64個節(jié)點(diǎn)、63個單元。荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、整體升溫、整體降溫、梯度升溫、梯度降溫，其中預(yù)應(yīng)力鋼束豎彎以頂板頂緣為參考點(diǎn)布設(shè)，移動荷載根據(jù)CJJ 11-2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。有限元模型見圖4。

圖4 橋梁有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 施工階段荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

為直觀分析縱坡對PC連續(xù)梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，以各跨跨中節(jié)點(diǎn)、L/4節(jié)點(diǎn)、L/8節(jié)點(diǎn)(L為橋梁各跨跨度)為研究對象，計(jì)算結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載一次效應(yīng)(鋼束張拉力對截面形心的內(nèi)力引起的效應(yīng))與預(yù)應(yīng)力荷載二次效應(yīng)(超靜定結(jié)構(gòu)引起的鋼束二次效應(yīng))下結(jié)構(gòu)內(nèi)力及支座反力，結(jié)果見圖5、圖6、表1。

由圖5、圖6可知：對于三跨連續(xù)梁，施工過程中，恒載作用下縱坡對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的差異更多地反映在鋼束作用上。該橋預(yù)應(yīng)力鋼束采用通長布置，兩端張拉，橋梁縱坡按照8%控制，預(yù)應(yīng)力力臂與無縱坡橋梁有差異，造成預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩不同。施工階段鋼束一次+鋼束二次效應(yīng)考慮縱坡時的結(jié)構(gòu)彎矩比無縱坡橋梁跨中彎矩增大1 182 kN·m，邊跨彎矩減小439～654 kN·m。

圖5 有無縱坡時施工階段恒載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

圖6 有無縱坡時施工階段鋼束一次+鋼束二次效應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

表1 有無縱坡時施工階段結(jié)構(gòu)支反力對比 kN

由表1可知：施工過程中，縱坡對結(jié)構(gòu)支反力的影響較小。

3.2 正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)JGT D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，分別考慮頻遇組合、準(zhǔn)永久組合，對其取包絡(luò)值。有無縱坡時橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、支反力對比見圖7、圖8、表2。

由圖7、圖8可知：對于三跨連續(xù)梁，正常運(yùn)營過程中，移動荷載作用下縱坡對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較?。幌噍^于不考慮縱坡的計(jì)算模型，考慮縱坡時跨中內(nèi)力減小，支點(diǎn)位置彎矩增大。

圖7 有無縱坡時運(yùn)營階段移動荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

圖8 有無縱坡時正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

表2 有無縱坡時正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)支反力對比 kN

由表2可知：縱坡對結(jié)構(gòu)支反力的影響較小；考慮縱坡后，結(jié)構(gòu)支反力分配更均衡。

3.3 承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

基于MIDAS/Civil后處理PSC設(shè)計(jì)功能，計(jì)算含縱坡、不含縱坡結(jié)構(gòu)的承載能力，計(jì)算中采用相同的預(yù)應(yīng)力鋼束布置方式。圖9為有無縱坡結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力包絡(luò)圖。

圖9 承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力包絡(luò)圖

由圖9可知：承載能力極限狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力布置方式均滿足規(guī)范要求；無縱坡模型承載力計(jì)算結(jié)果的安全冗余度為1.2%，考慮縱坡模型承載力計(jì)算結(jié)果的安全冗余度為9.7%，均發(fā)生在中跨跨中位置。對各荷載效應(yīng)進(jìn)行分析，考慮縱坡后，鋼束二次效應(yīng)較明顯。

4 結(jié)論

(1) 相較于平直橋梁，橋梁結(jié)構(gòu)考慮縱坡后，施工及正常運(yùn)營階段恒載、移動荷載作用下結(jié)構(gòu)彎矩變化較小，預(yù)應(yīng)力荷載引起的彎矩變化較大。

(2) 大縱坡對結(jié)構(gòu)支反力的影響較小。

(3) 承載能力極限狀態(tài)下，考慮縱坡后，鋼束二次效應(yīng)較明顯，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能出現(xiàn)差異，縱坡使結(jié)構(gòu)內(nèi)力更均衡。