橋梁交接墩蓋梁計算與優(yōu)化分析

張 斌

（福州市規(guī)劃設(shè)計研究院， 福州 350000）

0 引言

蓋梁是橋梁承上啟下的重要結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)荷載通過蓋梁傳遞給下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)。因影響蓋梁內(nèi)力的因素很多，如：橋梁跨徑、寬度、斜交角度等，所以很難完全套用標(biāo)準(zhǔn)圖或通用圖[1]，必須要建模計算分析，因此，蓋梁建模的理論與思路，在整個計算過程中尤為重要。

蓋梁作為受彎、受剪結(jié)構(gòu)，設(shè)計控制內(nèi)力一般為墩頂負(fù)彎矩、跨中正彎矩以及橋墩位置剪力。對于蓋梁的設(shè)計荷載，其恒載主要來自主梁自重及橋面系荷載；對于活載而言，橫向活載，主要考慮單列車、雙列車、多列車的對稱及非對稱等情況，按蓋梁位置反力影響線加載，獲得最大支反力；縱向活載，過渡墩蓋梁按考慮本聯(lián)布載考慮，對于橋梁的交接墩蓋梁，其傳統(tǒng)計算方法，通?？紤]A 聯(lián)（A 孔）、B 聯(lián)（B 孔）按獨立布載而后疊加，這種理論認(rèn)為：A 聯(lián)（A 孔）、B 聯(lián)（B 孔）不相關(guān)聯(lián)，分別用各自反力影響線求出交接墩位置的最大支反力值后再疊加（詳見圖1.1 力學(xué)圖解1），然后分析蓋梁內(nèi)力，但根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）中對車道荷載的解釋，車道荷載中均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qk 為描述橋梁結(jié)構(gòu)效應(yīng)的自然堵塞的車隊模型荷載，而車道荷載中的集中荷載（Pk）為描述運(yùn)煤車等重車模型荷載，如果按A 聯(lián)（A 孔）、B 聯(lián)（B 孔）不相關(guān)考慮，則說明有兩個重車同時作用在交接墩蓋梁上，這種情況在橋梁實際運(yùn)

營時，是不會出現(xiàn)的。這種計算方法雖安全但過于保守，不僅不利于蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸的制定，也會造成材料浪費，不僅影響橋下空間及通透性，也與尋找設(shè)計臨界點的科學(xué)精神相違背。

圖1.1 力學(xué)圖解1

有鑒于此，本文提出了兩種優(yōu)化計算方法，優(yōu)化計算方法一（A 聯(lián)B 聯(lián)雙聯(lián)疊加加載計算方法）：因A 聯(lián)B 聯(lián)橋面連續(xù)，可把前后兩聯(lián)當(dāng)成一整聯(lián)，即把交接墩蓋梁當(dāng)成過渡墩蓋梁計算（詳見圖1.2 力學(xué)圖解2）。

圖1.2 力學(xué)圖解2

圖1.3 力學(xué)圖解3

優(yōu)化計算方法二（A 聯(lián)B 聯(lián)雙聯(lián)非疊加加載）：仍把前后聯(lián)分開計算，但考慮車道荷載的集中荷載Pk 的作用長度，把車道荷載的集中荷載Pk 作用位置由傳統(tǒng)計算的蓋梁位置，轉(zhuǎn)移到車輛的實際重心位置。（詳見圖1.3 力學(xué)圖解3，Pk 的作用長度參考《通規(guī)》中車輛荷載長度12.8 米，整車重心到后輪長度為5.0 米）。

1 工程概況

國道G316 線長樂漳港至營前段項目A1 合同段，主線主路左幅1 號橋，全長1562 米，雙幅設(shè)計，單幅寬度17 米，上部結(jié)構(gòu)形式為：預(yù)制小箱梁和現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)形式：蓋梁柱式墩和花屏墩，為橋臺處設(shè)D80 型伸縮縫，交接墩處設(shè)D160 型伸縮縫，本文取第十五聯(lián)（3x35 米=105米，橋墩號ZⅠ51～ ZⅠ54）預(yù)應(yīng)力混凝土簡支變連續(xù)小箱梁和第十六聯(lián)（3x35米=105 米，橋墩號ZⅠ54～ ZⅠ57）預(yù)應(yīng)力混凝土簡支變連續(xù)小箱梁為研究對象，小箱梁高度為1.8 米，橫向布置6 片，交接墩蓋梁高度1.8 米，寬度2.0米，懸臂寬度5.4 米，雙柱墩間距4.8 米（詳見圖2.3 單幅橫斷面）（因為要考慮到橋下凈空和高架橋整體通透性等因素，本工程蓋梁采用大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁，本文只分析比較在三種計算理論下的蓋梁內(nèi)力）。

圖2.3 單幅橫斷面

2 有限元模型分析

本文采用MIDAS/CIVIL 有限元軟件，比較分析了橋梁交接墩蓋梁（詳見圖3.1 交接墩蓋梁模型），在傳統(tǒng)計算方法與優(yōu)化計算方法一和優(yōu)化計算方法二下的作用相應(yīng)與內(nèi)力差異。

荷載采用公路I 級荷載，按傳統(tǒng)計算方法，交接墩蓋梁位置活荷載最大支反力為863.2Kn*2（分別考慮第十五聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁、第十六聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，交接墩處最大支反力再疊加）按優(yōu)化計算方法一，交接墩蓋梁位置活荷載最大支反力為1000.7 Kn *1（把第十五聯(lián)、與第十六聯(lián)按整體考慮）,按優(yōu)化計算方法二，交接墩蓋梁位置活荷載最大支反力為501.2 Kn *2（分別考慮第十五聯(lián)、第十六聯(lián)，同時考慮重型車的作用長度）

三種計算模式下交接墩蓋梁最大彎矩（跨中位置）比較分析（詳見圖3.1 橋墩交接墩蓋梁跨中正彎矩圖），傳統(tǒng)計算方法為2120.9Knm，優(yōu)化計算方法一為 1229.4Knm，優(yōu)化計算方法二為1231.5Knm，結(jié)算結(jié)果表明：采用優(yōu)化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的57.9%，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的58.1%。

圖3.1 橋墩交接墩蓋梁跨中正彎矩圖

三種計算模式下交接墩蓋梁最小彎矩（橋墩位置）比較分析（詳見圖3.2 橋墩交接墩蓋梁墩頂負(fù)彎矩圖），傳統(tǒng)計算方法為10099.4Knm，優(yōu)化計算方法一為 5854.1Knm，優(yōu)化計算方法二為5864.3Knm，結(jié)算結(jié)果表明：采用優(yōu)化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的58.0%，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的58.2%。

圖3.2 橋墩交接墩蓋梁墩頂負(fù)彎矩圖

三種計算模式下，交接墩蓋梁最大剪力（橋墩位置）比較分析（詳見圖3.3 橋墩交接墩蓋梁最大剪力圖），傳統(tǒng)計算方法為3553.5Kn，優(yōu)化計算方法一為 2059.8Kn，優(yōu)化計算方法二為2063.3Kn，結(jié)算結(jié)果表明：采用優(yōu)化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的58.0%，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的58.1%。

圖3.3 橋墩交接墩蓋梁最大剪力圖

三種計算模式下，交接墩蓋梁最小剪力（橋墩位置）比較分析（詳見圖3.4 橋墩交接墩蓋梁最小剪力圖），傳統(tǒng)計算方法為3553.5Kn，優(yōu)化計算方法一為 2059.8Kn，優(yōu)化計算方法二為2063.3Kn，結(jié)算結(jié)果表明：采用優(yōu)化計算，對減少蓋梁正彎矩作用明顯，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的58.0%，優(yōu)化計算方法一減少到傳統(tǒng)計算方法的58.1%。

圖3.4 橋墩交接墩蓋梁最小剪力圖

3 計算結(jié)果分析

通過第3 節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)果可知：采用兩種優(yōu)化設(shè)計方法，可以顯著的降低交接墩蓋梁內(nèi)力，減少幅度約在40%左右。

傳統(tǒng)計算方法，偏保守

從數(shù)據(jù)上看，傳統(tǒng)計算方法較兩種優(yōu)化計算方法要保守的多，計算結(jié)果基本上是兩種優(yōu)化計算方法的1.7 倍左右。采用這種方法分析計算，往往橋梁交接墩位置的蓋梁要比過渡墩的蓋梁內(nèi)力要大的多。

從橋梁縱向行車整體因素來考慮，這是不應(yīng)該的。而且用傳統(tǒng)的計算方法出來的交接墩蓋梁，因內(nèi)力較大，往往導(dǎo)致尺寸較大，同時也要提高相應(yīng)橋墩直徑和樁基直徑，對下部結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果影響很大。

優(yōu)化計算方法一，計算結(jié)果合理

優(yōu)化計算方法一，利用交接墩蓋梁在相鄰兩聯(lián)位置行車橋面連續(xù)性質(zhì)，按一整聯(lián)的整體考慮，從車道荷載的布置方式表達(dá)上，把交接墩蓋梁當(dāng)成過渡墩蓋梁，與實際蓋梁受力相符，能更準(zhǔn)確的表達(dá)出蓋梁的受力狀態(tài)，更真實的表達(dá)出蓋梁的真實受力，更能趨于蓋梁的受力臨界極限。確實能夠優(yōu)化交接墩蓋梁內(nèi)力。按這種方法計算的交接墩蓋梁尺寸與過渡墩蓋梁尺寸相近。

優(yōu)化計算方法二，計算結(jié)果合理

優(yōu)化計算方法二，是在傳統(tǒng)計算方法上的優(yōu)化，不僅把相鄰兩聯(lián)分開考慮，同時考慮到重型車作用長度，不讓前后兩個重型車在交接墩位置重疊布載，解決了傳統(tǒng)計算方法的簡單羅列疊加，與橋梁實際運(yùn)營情況相符且保守，不僅能滿足蓋梁的內(nèi)力設(shè)計需求，也可以高效細(xì)化蓋梁尺寸，優(yōu)化橋下空間。

優(yōu)化計算方法一采用“合并”整聯(lián)的影響線加載，計算方法二采用固定局部荷載、集中荷載加載方式，兩者計算結(jié)果都與相鄰兩聯(lián)的跨徑有關(guān)，通過細(xì)化研究表明：在相鄰兩聯(lián)跨徑都減小的情況下，優(yōu)化計算方法一計算結(jié)果較優(yōu)化計算方法二計算結(jié)果更接近設(shè)計臨界值。

4 結(jié)語

本文以國道G316 線長樂漳港至營前段項目A1 合同段，主線主路左幅1號橋，第十五聯(lián)和第十六聯(lián)交接墩蓋梁為依托，用Midas/civil 進(jìn)行有限元分析，有結(jié)果如下：

（1）優(yōu)化計算方法一和優(yōu)化計算方法二的計算結(jié)果較傳統(tǒng)計算方法計算結(jié)果優(yōu)化交接墩蓋梁內(nèi)力約40%。

（2）三種計算模式下，橋梁交接墩蓋梁的設(shè)計內(nèi)力大小關(guān)系為：優(yōu)化計算方法一＜優(yōu)化計算方法二＜傳統(tǒng)計算方法，且優(yōu)化計算方法一隨著跨徑減小而減小的趨勢比優(yōu)化方法二更為明顯。