當(dāng)蕪大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析

程春其

(中鐵城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 蕪湖 241060)

0 引言

大跨徑連續(xù)梁橋因其具有經(jīng)濟(jì)性好、剛度大、行車舒適以及跨度大的優(yōu)點(diǎn)，在城市橋梁建設(shè)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，需要對(duì)大跨徑連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究分析。石云等[1]研究了連續(xù)梁橋合龍順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力的影響；李國(guó)平等[2]研究了施工控制對(duì)大跨連續(xù)梁橋的線形影響；何庭國(guó)等[3]對(duì)烏龍江特大橋的橋梁線形和橋梁減隔震進(jìn)行了分析，劉天培等[4]對(duì)將金山特大橋的橋墩受力和箱梁橫向受力進(jìn)行了分析。

本文依托當(dāng)蕪大橋工程實(shí)例，通過(guò)數(shù)值對(duì)比分析，對(duì)其230 m三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的縱向整體受力和橫向受力進(jìn)行分析，以確保橋梁結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)安全要求。

1 工程概況

1.1 總體設(shè)計(jì)

當(dāng)蕪大橋位于安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣與蕪湖市的交界處，是赤鑄山路跨越青山河的一座大型橋梁，其主橋跨徑為65 m+100 m+65 m三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。橋梁跨越處規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道，兩岸防汛大堤之間的距離為270 m左右。整體橋跨布置為3聯(lián)3×30 m+4×30 m+(65+100+65) m+(48+73+48) m+4×30 m+3×30 m=999 m。全橋橫斷面布置為2×[2.5 m(人行道)+14.5 m(車行道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)]+3 m(鏤空)=38 m。

1.2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)蕪大橋橋型立面布置、支點(diǎn)截面及跨中截面如圖1～4所示。橋面全寬38 m，由上、下行分離的兩個(gè)單箱雙室箱型截面組成，單個(gè)箱梁頂板寬17.5 m，厚0.28 m，設(shè)2%的橫坡；底板寬12.3 m，厚度為0.28～0.9 m，橫橋向橫坡也為2%；箱梁根部梁高5.8 m，端部和跨中梁高2.6 m；箱梁梁高及底板厚度按2次拋物線變化；腹板厚度為0.5～0.8 m；翼緣板懸臂長(zhǎng)為2.6 m，端部厚0.18 m，根部厚0.6 m。除在主墩墩頂設(shè)置一道厚2.5 m的橫隔梁，邊跨端部設(shè)厚1.5 m的橫隔梁外，其余部位均不設(shè)橫隔板。箱梁混凝土采用C50，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱梁、橫梁預(yù)應(yīng)力采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用JL32精軋螺紋鋼筋，布置在腹板及中橫隔梁內(nèi)。

圖1 當(dāng)蕪大橋橋型立面布置圖(cm)

圖2 當(dāng)蕪大橋邊支點(diǎn)截面圖(cm)

圖3 當(dāng)蕪大橋中墩支點(diǎn)截面圖(cm)

圖4 當(dāng)蕪大橋跨中截面圖(cm)

橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土雙柱式墩身，低樁承臺(tái)，群樁基礎(chǔ)。主航道橋墩柱直徑為3.0 m，承臺(tái)厚度為3.0 m，每個(gè)承臺(tái)下方布置雙排共計(jì)8根φ180 cm鉆孔灌注樁。

2 主橋縱向分析

當(dāng)蕪大橋?yàn)榇罂鐝竭B續(xù)梁橋，受到其橋下水文環(huán)境因素限制，橋梁在施工過(guò)程中不能中斷水運(yùn)航道，因此主橋采用懸臂法施工[5-6]。由于主橋箱梁構(gòu)造和結(jié)構(gòu)受力均較為復(fù)雜，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全，需要對(duì)全橋進(jìn)行整體靜力分析。

本文建立了大橋的縱向整體模型，對(duì)當(dāng)蕪大橋的受力性能進(jìn)行分析對(duì)比。

2.1 有限元模型

為了確保模型計(jì)算結(jié)果的安全可靠，本文采用了兩種獨(dú)立的有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行平行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

分別采用中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的平面有限元計(jì)算程序SCDS和橋梁博士軟件建立了整體有限元模型(圖5)，模擬了懸臂0#塊到合龍成橋共23個(gè)施工階段。掛籃和模板總重按100 t計(jì)，邊跨合龍段及中跨合龍段的模板吊架總重按30 t計(jì)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7-10]規(guī)定，當(dāng)蕪大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：道路等級(jí)：城市主干道；設(shè)計(jì)車速：60 km/h；汽車荷載等級(jí)：城—A級(jí)，人群荷載3.5 kPa； 設(shè)計(jì)洪水位：11.60 m；最高通航水位：10.62 m；最低通航水位：1.84 m；航道等級(jí)：按規(guī)劃Ⅲ級(jí)(凈寬≥70 m，凈高≥7 m)；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

圖5 當(dāng)蕪大橋主橋有限元模型圖

2.2 結(jié)果對(duì)比分析

為了更直觀地對(duì)比分析當(dāng)蕪大橋的縱受力特性，本文選取了其中7個(gè)典型截面，分別是邊跨的端部和1/2L處以及中跨的1/2L處和支點(diǎn)處。具體如圖6所示。

圖6 當(dāng)蕪大橋典型截面選取示意圖(cm)

分別提取橋梁博士和SCDS模型中典型截面的內(nèi)力和應(yīng)力對(duì)比分析，具體的對(duì)比結(jié)果如下。

2.2.1 內(nèi)力結(jié)果對(duì)比分析

由圖7～9可知，在成橋階段，SCDS和橋梁博士計(jì)算的彎矩?cái)?shù)值大小基本一致，結(jié)果誤差較??；活載作用下，可以發(fā)現(xiàn)SCDS的計(jì)算結(jié)果和橋梁博士直接誤差較大，正彎矩時(shí)在橋梁的跨中位置處誤差較大，負(fù)彎矩時(shí)在結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)處誤差較大。由此可知，SCDS的計(jì)算結(jié)果更為不利。

圖7 成橋階段彎矩對(duì)比曲線圖

圖8 活載作用下最大正彎矩對(duì)比曲線圖

圖9 活載作用下最大負(fù)彎矩對(duì)比曲線圖

2.2.2 應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析

由圖10～11可知，標(biāo)準(zhǔn)組合下，SCDS和橋梁博士計(jì)算的箱梁截面應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，應(yīng)力誤差較小。箱梁的上下緣應(yīng)力在主梁跨中位置誤差較大，最大截面誤差在2 MPa左右，SCDS計(jì)算結(jié)果更為不利。

通過(guò)兩種軟件的對(duì)比分析，進(jìn)一步了解了橋梁的受力特性。由分析結(jié)果可知，SCDS和橋梁博士的計(jì)算結(jié)果吻合較好，沿主梁縱向的內(nèi)力及應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。SCDS軟件計(jì)算數(shù)值較橋梁博士更大。為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兩個(gè)模型均能通過(guò)驗(yàn)算。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合箱梁上緣正應(yīng)力對(duì)比曲線圖

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合箱梁下緣正應(yīng)力對(duì)比曲線圖

3 主橋橫向分析

在大跨徑連續(xù)梁橋的計(jì)算中，由于結(jié)構(gòu)的跨徑大以及橋面寬，除了對(duì)主橋縱向進(jìn)行靜力分析外，還需要對(duì)箱梁的橫向受力進(jìn)行分析，以確保結(jié)構(gòu)在車輛橫向加載時(shí)的安全。

本文建立主橋箱梁的橫向有限元模型，對(duì)主橋的橫向局部進(jìn)行分析，從而全面了解主橋的受力特性，為大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全提供重要依據(jù)。

3.1 箱梁橫向分析

本文采用SCDS軟件建立箱梁的橫向有限元模型。沿橋梁縱向選取6 m的節(jié)段，采用桿系單元模擬，二期荷載采用均布荷載加載，汽車荷載采用城—A級(jí)[11]，局部模型的約束主要在箱梁腹板與底板交接位置，采用常規(guī)的一般支承模擬。箱梁橫向有限元模型見(jiàn)圖12。

圖12 二維箱梁有限元模型圖

橫向分析中為了考慮汽車荷載橫向移動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，分別計(jì)算車道居中加載和車道偏載兩種工況。車道布置的具體情況如圖13所示。

(a)車道居中加載

(b)車道偏載加載

3.2 分析結(jié)果

本文著重分析了箱梁頂?shù)装宓臋M向受力以及箱梁頂、底板在基本組合下的內(nèi)力結(jié)果，具體如圖14、圖15所示。

由圖14可知，頂板最大負(fù)彎矩分別在邊腹板和中腹板處，邊腹板最大的彎矩為-126.18 kN·m，中腹板最大負(fù)彎矩為-177.47 kN·m；頂板最大正彎矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中為42.285 kN·m，右箱室跨中為48.524 kN·m；頂板最大剪力分別在邊腹板和中腹板處，左側(cè)邊腹板最大的剪力為71.914 kN，中腹板最大剪力為145.85 kN，右側(cè)邊腹板最大的剪力為132.97 kN。

由圖15可知，底板最大負(fù)彎矩分別在邊腹板和中腹板處，邊腹板最大的彎矩為-48.325 kN·m，中腹板最大負(fù)彎矩為-38.097 kN·m；底板最大正彎矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中為25.485 kN·m，右箱室跨中為25.427 kN·m；底板最大剪力分別在邊腹板和中腹板處，左側(cè)邊腹板最大的剪力為25.778 kN，中腹板最大剪力為23.667 kN，右側(cè)邊腹板最大的剪力為23.34 kN。

綜上分析可知，箱梁頂板其抗彎承載力由負(fù)彎矩控制，其邊腹板和中腹板處的彎矩和剪力均較大，在設(shè)計(jì)該位置處其配筋構(gòu)造需要加強(qiáng)；箱梁底板處彎矩和剪力較小，其與腹板位置處需要加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋即可。

(a)基本組合箱梁頂板彎矩(kN·m)

(b)基本組合箱梁頂板剪力(kN)

(a)基本組合箱梁底板彎矩(kN·m)

(b)基本組合箱梁底板剪力(kN)

4 結(jié)語(yǔ)

本文為了研究大跨徑連續(xù)梁橋的受力特性，以當(dāng)蕪大橋?yàn)橐劳泄こ?，采用了縱向整體分析和橫向局部分析相結(jié)合的研究方法，對(duì)主橋的縱向整體受力和箱梁橫向局部受力進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

(1)成橋階段，SCDS和橋梁博士計(jì)算結(jié)果誤差較小，有限元模型的準(zhǔn)確性可以得到驗(yàn)證。

(2)活載作用下，SCDS和橋梁博士計(jì)算結(jié)果誤差較大，最大正彎矩時(shí)在橋梁的跨中位置處誤差較大，最大負(fù)彎矩時(shí)在結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)處誤差較大。

(3)標(biāo)準(zhǔn)組合下，SCDS和橋梁博士計(jì)算的應(yīng)力誤差較小，其反映的趨勢(shì)均為跨中處應(yīng)力較大，支點(diǎn)處應(yīng)力較小，SCDS計(jì)算結(jié)果更為保守，設(shè)計(jì)中為了偏于安全，本文以SCDS計(jì)算結(jié)果控制設(shè)計(jì)。

(4)箱梁橫向分析對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全有重要意義，通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可以表明，箱梁腹板和翼緣板交接處的彎矩和剪力均較大，此處的受力較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要加強(qiáng)該位置。

(5)橫向分析結(jié)果分析表明，箱梁頂板受力較底板更為不利，其翼緣與邊腹板交接處，以及中腹板與頂板交接處，彎矩和剪力是底板的3～5倍，故在設(shè)計(jì)中，頂板橫向鋼筋應(yīng)加密。