廣西西江扶典口特大橋2#主橋設(shè)計與計算分析

凌 冬，黃 珠，李思藝

(廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

橋梁作為我國交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)中至關(guān)重要的樞紐工程，其性能要求被不斷提高。傳統(tǒng)的簡支梁橋結(jié)構(gòu)形式簡單，應(yīng)用最為廣泛，但其整體剛度較弱，若要增加橋梁的跨徑，只有通過增大主梁截面尺寸來抵抗自重產(chǎn)生的跨中彎矩，但這具有一定的局限性且經(jīng)濟(jì)性能較差，不適用于跨越深溝峽谷、江河湖泊等極端地形地貌[1]。

為克服簡支梁橋剛度較弱、跨徑較小的缺點，墩梁固接、主梁連續(xù)的連續(xù)剛構(gòu)體系應(yīng)運而生，這種體系的橋梁整體具有較強的縱向抗彎剛度與橫向抗扭剛度，使其對主梁截面尺寸的要求較小，能夠有效減輕橋梁結(jié)構(gòu)自重，增大跨徑[2]。而且，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的日趨成熟，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的跨越能力被進(jìn)一步提升，目前已知主跨跨徑最大可超過300 m[3]。針對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，許多專家學(xué)者對其開展了模型試驗或數(shù)值模擬研究其力學(xué)特性[4-6]。

本文以跨徑組合為131 m+198 m+131 m的廣西西江扶典口特大橋2#主橋為工程背景，結(jié)合有關(guān)設(shè)計規(guī)范條文，采用有限元計算軟件Midas Civil建立了全橋結(jié)構(gòu)的計算模型，對該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的各項設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行了驗算。

1 橋梁工程概況及設(shè)計參數(shù)

西江扶典口特大橋是廣西梧州市環(huán)城高速公路項目中最大的控制性工程，位于梧州市環(huán)城公路K29公里處，地屬梧州市城東，自北向南跨越西江。其中，2#主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋體系，跨徑組合為131 m+198 m+131 m=460 m，其橋型布置圖如圖1所示。整體橋?qū)?8.5 m，采用分幅設(shè)置，單幅橋?qū)?2.75 m，兩幅橋間凈寬3 m。主梁采用單箱單室，邊墩墩頂及中跨跨中梁高4.2 m，中墩墩頂梁高11.5 m。主墩采用雙肢薄壁矩形斷面，樁基礎(chǔ)為2.2 m鉆孔灌注樁。

圖1 西江扶典口特大橋2#主橋橋型布置圖(mm)

該橋主梁采用C60型號混凝土，主墩采用C50型號混凝土，承臺與樁基礎(chǔ)則采用C30型號混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用φs15.2型號。

2 有限元模型

采用有限元計算軟件Midas Civil建立全橋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。全橋的施工過程共劃分為30個施工階段，有限元模型共有414個節(jié)點，393個單元。其中，1-130號單元為主梁單元。樁基礎(chǔ)梁單元按照實際樁長建立，在樁底采用固結(jié)，其中，左側(cè)墩為4#墩，右側(cè)墩為5#墩。樁側(cè)采用土彈簧約束縱向和橫向位移，土彈簧剛度采用“m”法計算。群樁與承臺采用主從約束，承臺與墩、墩與主梁采用剛臂連接，邊墩處約束豎向位移。

3 荷載取值

3.1 恒載

主要包括結(jié)構(gòu)自重與二期恒載。結(jié)構(gòu)自重按混凝土容重取26 kN/m3，二期恒載包括橋面鋪裝與護(hù)欄等，線分布荷載取72 kN/m。

3.2 汽車荷載

該橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級，綜合考慮橫向分布系數(shù)、橫向折減系數(shù)、偏載系數(shù)、超載系數(shù)以及沖擊系數(shù)的影響，由于建設(shè)時間為2018年，故各項影響系數(shù)及荷載取值所參考的設(shè)計規(guī)范為2004版的《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)。

3.3 附加荷載

溫度荷載主要包括體系升溫25 ℃，體系降溫23 ℃；溫度梯度按規(guī)范中100 mm瀝青混凝土鋪裝層取值。支座沉降按各支座下沉2 cm計。風(fēng)荷載取百年一遇基本風(fēng)速24.0 m/s。

3.4 施工荷載

施工荷載主要包括掛籃荷載和懸臂現(xiàn)澆混凝土的濕重。掛籃荷載取最大懸澆段重的0.55倍，為1 500 kN，濕重取相應(yīng)懸澆混凝土的重量。

4 計算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力計算

由有限元計算結(jié)果可得，在張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束階段出現(xiàn)最大應(yīng)力，如圖2所示。其中，最大法向壓應(yīng)力為15.1 MPa，拉應(yīng)力為0.38 MPa，按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)(以下簡稱設(shè)計規(guī)范)中第7.2.7和7.2.8條的規(guī)定，其應(yīng)力值滿足規(guī)范要求。

(a)上緣應(yīng)力

(b)下緣應(yīng)力

考慮成橋十年收縮徐變后，有限元計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，成橋十年后主梁上緣最大壓應(yīng)力為11.7 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為12.0 MPa，上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。最大豎向位移為向下8.1 cm，位置在4#墩邊跨跨中，均滿足規(guī)范要求。

(a)上緣應(yīng)力

(b)下緣應(yīng)力

5 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

在承載能力極限狀態(tài)下，通過有限元軟件計算可得，結(jié)構(gòu)的彎矩包絡(luò)圖及抗力圖如圖4所示。由圖4可知，彎矩抗力曲線能夠?qū)?nèi)力曲線完全包絡(luò)。

圖4 正截面抗彎承載能力計算圖

按照設(shè)計規(guī)范中第5.1.5條的要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性需要考慮放大系數(shù)γ，本文取1.1，放大后的作用效應(yīng)仍應(yīng)不大于構(gòu)件的承載能力，限于篇幅本文只選取部分典型截面進(jìn)行考慮重要性放大系數(shù)的抗彎承載力驗算。計算結(jié)果如表1所示。由表1可見，各典型截面的安全系數(shù)均大于1，故該橋梁正截面抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

表1 典型截面抗彎承載力驗算表(kN·m)

6 結(jié)語

本文針對廣西西江扶典口特大橋2#主橋進(jìn)行了設(shè)計

計算分析，通過有限元計算軟件Midas Civil建立了全橋模型，結(jié)合有關(guān)規(guī)范要求，分別在施工階段、持久狀況承載能力極限狀態(tài)、持久狀況正常使用極限狀態(tài)下對橋梁整體進(jìn)行了模擬計算，并在持久狀況與短暫狀況下計算了構(gòu)件的應(yīng)力，還驗算了支座反力及下部結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，該橋梁的各項設(shè)計指標(biāo)均在相應(yīng)規(guī)范要求的容許范圍之內(nèi)，其計算結(jié)果可為類似橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算提供參考。