深中通道泄洪區(qū)下部結(jié)構(gòu)寬墩對大懸臂蓋梁受力的影響分析

施江濤

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

獨(dú)柱墩蓋梁由于占地小、凈空大、景觀效果好，在市政橋梁工程甚至跨海橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。但由于采用獨(dú)柱墩，墩柱橫向尺寸較大，在蓋梁受力分析時(shí)需考慮墩柱對蓋梁受力的影響, 不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法使結(jié)果有較大差異，如設(shè)計(jì)不當(dāng)易造成蓋梁開裂[2]。本文以深中通道工程為依托，對其泄洪區(qū)6×110 m 鋼箱梁下部結(jié)構(gòu)蓋梁進(jìn)行受力分析，分別建立桿系和實(shí)體計(jì)算模型，對各模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，評價(jià)寬墩對蓋梁受力的影響。

1 工程概況

深中通道東接機(jī)荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，與規(guī)劃的中開、東部外環(huán)高速對接，主體工程全長約23.879 km，包括6.845 km 的沉管隧道、東西兩座人工島、約17.034 km 的橋梁，是集“隧、島、橋、地下互通”于一體的超級集群工程。

泄洪區(qū)引橋墩身采用變截面的六邊形斷面。整幅墩墩頂橫橋向?qū)? m，蓋梁以下橋墩橫橋向按1/28 斜率漸變打開，底寬根據(jù)墩高變化。順橋向側(cè)面為豎直，厚4 m。如圖1 所示，整幅墩墩頂蓋梁采用實(shí)心倒梯形斷面，橫橋向長32～38.1 m，頂寬4 m、底寬3.33 m、高5 m。預(yù)應(yīng)力鋼束采用19Фs15.2。蓋梁采用C50 混凝土，按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼束布置如圖2 所示。

圖1 泄洪區(qū)非通航孔橋下部結(jié)構(gòu)一般構(gòu)造圖（單位：cm）

圖2 泄洪區(qū)非通航孔橋蓋梁鋼束圖

為掌握不同計(jì)算模型對寬墩獨(dú)柱蓋梁的應(yīng)力狀態(tài)（尤其墩柱處蓋梁的應(yīng)力狀態(tài)）的影響，用橋梁博士和ANSYS 軟件分別建立桿系和實(shí)體計(jì)算模型，對比分析其計(jì)算結(jié)果，評價(jià)寬墩對蓋梁受力的影響，提出設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要注意的事項(xiàng)，為蓋梁設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

2 計(jì)算模型

采用橋梁博士建立三個(gè)蓋梁和立柱桿系模型，三個(gè)模型的蓋梁邊界條件不一樣，導(dǎo)致墩柱區(qū)域蓋梁的受力計(jì)算結(jié)果也有較大差異[3，4]。模型一墩柱與蓋梁連接處采用單節(jié)點(diǎn)剛接；模型二墩柱寬度范圍內(nèi)與蓋梁采用多節(jié)點(diǎn)剛接；模型三墩柱寬度邊緣與蓋梁采用兩節(jié)點(diǎn)剛接；模型四采用ANSYS 建立蓋梁和立柱的實(shí)體模型，其中預(yù)應(yīng)力鋼束采用桿單元。

邊界條件均按橋墩底部全固結(jié)考慮。為便于結(jié)果比較，三個(gè)模型的荷載均采用基本組合下的最不利支座反力在相應(yīng)的位置進(jìn)行加載。

預(yù)應(yīng)力鋼束均采用19Фs15.2，扣除損失后按1 210 MPa，恒載支反力10 600 kN，活載支反力3 260 kN。墩高45 m，蓋梁總長34 m，蓋梁根部高5 m，立柱頂寬8 m。橋梁博士計(jì)算模型和ANSYS計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 橋博蓋梁計(jì)算模型和ANS YS 蓋梁計(jì)算模型

3 結(jié)果分析

寬墩主要影響蓋梁上緣和下緣的正應(yīng)力，因?yàn)榧魬?yīng)力在墩柱范圍外不受墩柱影響，在墩柱范圍內(nèi)不控制設(shè)計(jì)。故以下僅對蓋梁上緣和下緣的正應(yīng)力進(jìn)行對比分析。

3.1 蓋梁計(jì)算結(jié)果對比

以蓋梁頂緣中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫橋向?yàn)閄 軸，則各個(gè)斷面上、下緣的應(yīng)力如圖4（受壓為負(fù)、受拉為正）所示，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1（受壓為正、受拉為負(fù)）。計(jì)算得到的各模型蓋梁上緣和下緣正應(yīng)力結(jié)果如圖5和圖6 所示（受壓為正、受拉為負(fù)）。

模型一、模型二和模型三都采用的是橋博桿系計(jì)算模型，在墩柱范圍外三者應(yīng)力完全重合，但在墩柱范圍內(nèi)，三者差別較大。模型一由于采用墩柱中心與蓋梁單節(jié)點(diǎn)剛接，立柱處蓋梁上緣拉應(yīng)力較大，為3.16 MPa，下緣壓應(yīng)力也較大，為15.8 MPa；模型二采用墩柱寬度范圍內(nèi)與蓋梁多節(jié)點(diǎn)剛接，結(jié)果與模型一差別較大，立柱處蓋梁上緣受壓，壓應(yīng)力為5.29 MPa，下緣壓應(yīng)力為6.39 MPa，且墩柱范圍內(nèi)應(yīng)力存在波折，這是由于剛接的多節(jié)點(diǎn)受力不均導(dǎo)致的；模型三采用墩柱寬度邊緣與蓋梁兩節(jié)點(diǎn)剛接，立柱處蓋梁上緣壓應(yīng)力為4.80 MPa，下緣壓應(yīng)力為6.90 MPa，且墩柱范圍內(nèi)應(yīng)力較為平滑。

圖4 ANS YS 計(jì)算得到的蓋梁總體應(yīng)力圖和各斷面應(yīng)力圖（單位：P a）

表1 各模型蓋梁正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表 單位：MP a

圖5 各個(gè)模型蓋梁上緣應(yīng)力圖（單位：MP a）

圖6 各個(gè)模型蓋梁下緣應(yīng)力圖（單位：MP a）

模型四采用實(shí)體有限元計(jì)算，可較為真實(shí)地反映蓋梁的實(shí)際受力情況（如圖4～圖6 所示），在蓋梁范圍外，除了在支座墊石位置處應(yīng)力存在突變，其余位置上、下緣應(yīng)力與桿系模型計(jì)算結(jié)果較為一致。從圖中看出，在墩柱范圍內(nèi)蓋梁上緣壓應(yīng)力是基本恒定的，而下緣壓應(yīng)力在墩柱范圍內(nèi)快速下降，形成一個(gè)凹坑，這是由于蓋梁下緣的壓應(yīng)力在墩柱處向墩柱下部擴(kuò)散，使該處壓應(yīng)力減小。該模型立柱處蓋梁上緣壓應(yīng)力為3.49 MPa，較模型一大，較模型二和三小，下緣壓應(yīng)力為3.53 MPa，較前三個(gè)模型都小。

3.2 小結(jié)

模型一計(jì)算誤差較大，對獨(dú)柱蓋梁上緣應(yīng)力較實(shí)際小很多，過于保守，下緣應(yīng)力較實(shí)際大很多，過于不安全，若采用此模型，蓋梁上緣需配置較多鋼束，造成材料浪費(fèi)，并可能使下緣受拉，使結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。模型二和模型三在墩柱中心的蓋梁上緣和下緣應(yīng)力均較實(shí)際大，偏于不安全，但墩柱邊緣處的蓋梁應(yīng)力較實(shí)際稍小，偏于安全，故若采用此類模型，蓋梁墩柱范圍內(nèi)的應(yīng)力可均采用墩柱邊緣處的蓋梁應(yīng)力，這樣做是偏于安全的。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)對深中通道泄洪區(qū)引橋下部結(jié)構(gòu)寬墩獨(dú)柱蓋梁進(jìn)行有限元分析，得出如下結(jié)論：

（1）寬墩對蓋梁上緣的應(yīng)力有平滑作用，使墩柱范圍內(nèi)蓋梁上緣應(yīng)力基本恒定。寬墩對蓋梁下緣的應(yīng)力有減載和擴(kuò)散作用，使墩柱范圍內(nèi)蓋梁下緣應(yīng)力快速下降，形成應(yīng)力凹坑。

（2）單節(jié)點(diǎn)固結(jié)剛接模型使蓋梁上緣應(yīng)力較實(shí)際小很多，過于保守，下緣應(yīng)力較實(shí)際大很多，過于不安全。

（3）多節(jié)點(diǎn)剛接模型和兩節(jié)點(diǎn)剛接模型在墩柱中心的蓋梁上緣和下緣應(yīng)力均較實(shí)際大，偏于不安全，但墩柱邊緣處的蓋梁應(yīng)力較實(shí)際稍小，偏于安全。若采用此類模型，蓋梁墩柱范圍內(nèi)的應(yīng)力均采用墩柱邊緣處的蓋梁應(yīng)力，這樣做是偏于安全的。