基于空間梁格法的大跨度變寬魚腹式箱梁受力分析

樊星辰，岳仁輝

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

合肥市二環(huán)路是合肥市一條重要的環(huán)線道路，是眾多車輛進(jìn)出合肥市區(qū)的必經(jīng)之路。我公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的北二環(huán)(西二環(huán)至合武鐵路段)，全長約5.0 km，道路紅線70 m，局部紅線寬60 m。作為貫穿東西向城市快速路，北二環(huán)高架橋的景觀效果要求高。上部結(jié)構(gòu)采用底板為弧線的魚腹式箱梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式花瓶墩，既保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)營造動(dòng)感輕盈的視覺效果。

上跨森景大道聯(lián)采用(35+50+35)m魚腹式變高變寬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。梁高2.2～3 m，梁寬43.591～31.459 m，鋪裝層為10 cm厚瀝青混凝土+8 cm厚混凝土調(diào)平層。

本聯(lián)為變高變寬結(jié)構(gòu)，變寬比12.132 m/120 m，通過各箱室變寬實(shí)現(xiàn)本聯(lián)結(jié)構(gòu)寬度變化。由于箱室尺寸存在差異，各腹板的分配荷載不同。目前橋梁設(shè)計(jì)人員仍普遍采用單梁建模法，通過調(diào)節(jié)偏載系數(shù)(通常取1.15)進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。這種經(jīng)驗(yàn)性的估算系數(shù)存在一定的弊端：要么結(jié)構(gòu)冗余度過大造價(jià)增加，要么結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備不足。

為了較為準(zhǔn)確模擬箱梁各腹板受力情況，本文以該聯(lián)為對象進(jìn)行精細(xì)化分析計(jì)算。

1 橋梁模型

最新版《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》(以下簡稱《公預(yù)規(guī)》)提出，變寬等復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)可采用實(shí)體有限元或?qū)嵱镁?xì)化分析模型計(jì)算。實(shí)體單元建模分析結(jié)果更加真實(shí)，但建模、計(jì)算效率低，與現(xiàn)行規(guī)范結(jié)合度差等不足使得其在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域難以大規(guī)模應(yīng)用。梁格法兼顧了建模效率和結(jié)果可靠性，較為廣泛應(yīng)用在橋梁工程中。

采用大型通用有限元軟件midas civil建立空間梁格有限元模型如圖1所示。按照部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，全橋共計(jì)1 865個(gè)單元，1 866個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算荷載包括：結(jié)構(gòu)自重、整體升降溫、梯度溫差、城-A活載、支座沉降、二期荷載。

圖1 梁格法有限元模型示意圖

2 承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算

選取1#邊腹板和5#中腹板作為縱向計(jì)算代表構(gòu)件，驗(yàn)算結(jié)果如圖2、圖3所示，中腹板根部最大內(nèi)力為33 547.2 KN·m，跨中最大內(nèi)力為24 473.6 KN·m；邊腹板根部最大內(nèi)力為46 445.8 KN·m，跨中最大內(nèi)力為26 201.1 KN·m。邊中腹板內(nèi)力分配比例約為1.38～1.07。

圖2 正截面抗彎承載力驗(yàn)算圖(中腹板)

圖3 正截面抗彎承載力驗(yàn)算圖(邊腹板)

3 持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

驗(yàn)算結(jié)果如圖4～圖7所示，中腹板短期組合下最大拉應(yīng)力值0.29 MPa，邊腹板短期組合下最大拉應(yīng)力值0.37 MPa，均出現(xiàn)在邊跨邊墩附近區(qū)域；中腹板和邊腹長期組合下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。結(jié)果均滿足最新《公預(yù)規(guī)》6.3.1條要求。

圖4 短期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算圖(中腹板)

圖5 短期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算圖(邊腹板)

短期和長期組合中截面上緣應(yīng)力分布較均勻，下緣由于截面變高導(dǎo)致應(yīng)力差較大。邊腹板較中腹板應(yīng)力絕對值較大，即相同配束情況下中腹板的安全冗余度較高。

圖6 長期期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算圖(中腹板)

圖7 長期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算圖(邊腹板)

3 持久狀況壓正常使用極限狀態(tài)壓應(yīng)力驗(yàn)算

驗(yàn)算結(jié)果如圖8～圖9所示，標(biāo)準(zhǔn)組合下中腹板最大壓應(yīng)力15.1 MPa，邊腹板最大壓應(yīng)力15.2 MPa，均出現(xiàn)在中墩附近區(qū)域。結(jié)果均滿足最新《公預(yù)規(guī)》7.1條要求。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合下壓應(yīng)力驗(yàn)算圖(中腹板)

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合下壓應(yīng)力驗(yàn)算圖(邊腹板)

4 結(jié) 語

本文通過建立精細(xì)化梁格模型，并結(jié)合活載影響面加載方式，對魚腹式變寬變高連續(xù)箱梁的各縱橫構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。經(jīng)計(jì)算分析得到如下結(jié)論。

(1)由于車道荷載分布、箱梁剪力滯效應(yīng)及箱梁自重分布等影響，各腹板的內(nèi)力分布不同，類似寬跨比較大的魚腹式箱梁應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化建模分析驗(yàn)算。

(2)魚腹式箱梁邊腹板分配內(nèi)力相對中腹板大，工程設(shè)計(jì)中宜適當(dāng)增大邊腹板鋼束數(shù)量。

(3)魚腹式箱梁邊腹板與中腹板內(nèi)力分配比約為1.37～1.05(均值約1.21)。為提高設(shè)計(jì)效率，可采用單梁建模計(jì)算類似結(jié)構(gòu)，但宜提高偏載系數(shù)值，以保證適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。