典型寬斜梁橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化與受力分析

王俊俠

（江蘇森尚工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無錫 214031）

0 引言

近年來隨著城市建設(shè)發(fā)展日益完善，各個(gè)城市路網(wǎng)規(guī)劃也趨于完善，橋梁服從規(guī)劃路網(wǎng)思維模式在城市道路建設(shè)中越來越普遍。城市道路功能要求比較多，要設(shè)置人行道、非機(jī)動車道、綠化帶、機(jī)動車道及中央分隔帶，城市道路要滿足不同路權(quán)分配，寬度相對較窄；城市空間布局較為緊湊，橋梁布置受河道、規(guī)劃道路及周邊構(gòu)筑物的影響。實(shí)踐中，寬斜梁橋在城市橋梁中的選用優(yōu)勢突出。南通市圩角河橋斜角為55°，橋面單幅正寬18m，斜寬約31.4m，該橋最大橋跨徑35m，是典型的寬斜梁橋，本文對其橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與受力狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目概況和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

絲綢路從江海路起向西跨越圩角河，至富江路，規(guī)劃斷面40m。其中圩角河為內(nèi)河七級航道，最高通航水位2.10m（黃海高程），橋位處水面寬度約58.1m，線路中心線與航道中心線斜交145°，圩角河兩側(cè)均規(guī)劃有一條景觀行車道。該橋橋位距起點(diǎn)江海路交叉口只有220m，縱坡對橋型選擇影響很大。橋梁橋跨布置為28m+35m+28m，全橋長97.06m。橋梁結(jié)構(gòu)形式采用整體現(xiàn)澆連續(xù)混凝土剛構(gòu)形式。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用板式墩、橋臺采用扶壁式橋臺，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁。

道路等級設(shè)計(jì)荷載：城市主干道；設(shè)計(jì)行車速度：50km/h；橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面：40（m）=5.25m（人行道）+4.25m（非機(jī)動車道）+8m（機(jī)動車道）+5m（中央分隔帶）+8m（機(jī)動車道）+4.25m（非機(jī)動車道）+5.25m（人行道）；設(shè)計(jì)荷載：城-A，人群3.5kN/m2；通航標(biāo)準(zhǔn)：七級航道，通航凈寬18.0m，凈空2.5m，最高通航水位2.10m（黃海高程）；地震裂度：按基本烈度6度設(shè)防。

2 橋梁方案與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圩角河橋斜角角度達(dá)到55°，橋面單幅正寬18m，斜寬約31.4m，而最大橋跨斜向只有35m，是典型的寬斜梁橋，針對該橋方案，我院多次聘請專家討論，綜合考慮橋梁外觀、施工難度、工程造價(jià)等因素，最終確定采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。

2.1 初定橋梁斷面

橋型方案確定以后，初擬定的橋梁上部結(jié)構(gòu)采用整體式空心板斷面，在橋墩處設(shè)置4m的中橫梁，橫梁斜向布置如圖1所示。

圖1 橋梁橫斷面（單位：cm）

2.2 方案計(jì)算

通過對整體板以上諸多受力點(diǎn)進(jìn)行了平面計(jì)算和空間計(jì)算。通過平面計(jì)算出橋梁的正常使用狀態(tài)應(yīng)力和極限承載能力均能滿足規(guī)范要求?？臻g計(jì)算具體如下：為滿足設(shè)計(jì)要求，取3個(gè)控制截面分別計(jì)算1#墩頂最大拉應(yīng)力、一跨跨中下緣及二跨跨中下緣最大拉應(yīng)力。

（1）工況一。結(jié)構(gòu)自重：γ=2600kg/m3；橋面鋪裝：50kN/m，防撞護(hù)欄：10kN/m，人行道欄桿及人行道板：10kN/m，外側(cè)花盆：6kN/m；支座沉降6mm；整體升溫20℃；頂?shù)装遑?fù)溫差；一、二兩跨三車道滿載外偏設(shè)置，荷載集度按城A取值。工況一1＃墩墩頂正應(yīng)力圖如圖2所示。

圖2 工況一

（2）工況二。結(jié)構(gòu)自重：γ=2600kg/m3；橋面鋪裝：50kN/m，防撞護(hù)欄：10kN/m，人行道欄桿及人行道板：10kN/m，外側(cè)花盆：6kN/m；4 支座沉降6mm；整體升溫20°；頂?shù)装逭郎夭?；一、三兩跨三車道滿載外偏設(shè)置，荷載集度按城A 取值。工況二第一跨跨中截面正應(yīng)力圖如圖3所示。

圖3 工況二

（3）工況三。結(jié)構(gòu)自重：γ=2600kg/m3；橋面鋪裝：50kN/m，防撞護(hù)欄：10kN/m，人行道欄桿及人行道板：10kN/m，外側(cè)花盆：6kN/m；3 支座沉降6mm；整體降溫20℃；頂?shù)装逭郎夭?；第二跨三車道滿載外偏設(shè)置，荷載集度按城A 取值。工況三第二跨跨中截面正應(yīng)力圖如圖4所示。

圖4 工況三

2.3 計(jì)算結(jié)果

橋梁平面桿系和空間計(jì)算結(jié)果表明整體板橫橋向正應(yīng)力及豎向正應(yīng)力都偏大，達(dá)2MPa左右；在最不利荷載作用下，端橫梁靠近銳角及鈍角處支座存在脫空的可能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用整體式空心板存在如下問題：

（1）這種斷面空心圓頂部容易出現(xiàn)裂縫（縱向）；

（2）這種挖空方式應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重，夏天溫差影響頗大，一般比規(guī)范要大5～6倍（試驗(yàn)測量）；

（3）這種斷面剛度分配不太均勻，橫向剛度差異較大，縱向剛度分部不均勻，易開裂；

（4）斜角角度較大的結(jié)構(gòu)形式縱向預(yù)應(yīng)力對橋梁下部構(gòu)造會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.4 調(diào)整斷面

針對整體式空心板斷面在斜角角度較大的結(jié)構(gòu)中存在的諸多問題，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下優(yōu)化：

（1）為了減少寬斜梁橋受力上的不均衡，設(shè)計(jì)過程中將上部結(jié)構(gòu)整體板式結(jié)構(gòu)改成開口的箱型截面；

采用標(biāo)準(zhǔn)篩分實(shí)驗(yàn)分析第⑩土層全風(fēng)化片麻巖顆粒組成，如表6所示。該土層顆粒一般含礫豐富，顆粒也以粗粒組中的砂為主，砂粒級含量平均達(dá)61.4%，細(xì)粒組平均含量達(dá)14.9%。按照GB/T50145-2007劃分其工程分類，該土層基本屬于粉土質(zhì)砂，個(gè)別為粘土質(zhì)砂。

（2）為了避免小箱梁發(fā)生平面轉(zhuǎn)動，造成落梁事故，設(shè)計(jì)工程將結(jié)構(gòu)調(diào)整為連續(xù)剛構(gòu)，橋墩采用實(shí)體墩；

（3）為了減少結(jié)構(gòu)在銳角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在上部箱梁結(jié)構(gòu)銳角處設(shè)置倒角，在埋置于下部的承臺兩端設(shè)置成倒角，這樣可以減少一部分的應(yīng)力集中給結(jié)構(gòu)帶來的受力不均勻。

最終橋梁橫斷面如圖5所示。

圖5 最終橋梁橫斷面（單位：cm）

由圖5 可看出調(diào)整后的結(jié)構(gòu)形式：單幅橋頂板寬18.5m，底板寬17.5m，頂板與底板與道路橫坡一致，梁體在縱向?yàn)樽兏?，梁高?.4～2.6m按圓曲線變化；橫向有6片小箱梁，每片箱梁間距3.12m，邊板懸臂50cm，箱梁頂板厚度均18cm，底板厚度正常段為18cm，腹板厚度40cm。梁體內(nèi)縱向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，采用兩端張拉。主梁橋墩采用板式橋墩下設(shè)承臺，下接8×Ф150cm單排樁。

3 橋梁結(jié)構(gòu)受力分析

圩角河橋斜角為55°，橋面單幅正寬18m，斜寬約31.4m，該橋最大橋跨徑35m，是典型的寬斜梁橋，單純的平面計(jì)算已經(jīng)不能很好地真實(shí)地反映該橋的受力狀態(tài)。故在設(shè)計(jì)過程中分別用平面桿系和空間實(shí)體單元對該橋受力情況進(jìn)行了多方位的分析和計(jì)算。

3.1 平面桿系計(jì)算

對主梁進(jìn)行了承載能力驗(yàn)算、持久狀態(tài)正常使用狀態(tài)驗(yàn)算、持久狀態(tài)和短暫狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算。

該橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，結(jié)構(gòu)連續(xù)的剛構(gòu)形式，正常段梁高1.40m（小箱梁頂?shù)装寰捎?.0%的橫坡），支點(diǎn)處梁高2.5m變化、橋面全寬18.0m，頂板厚0.18m，底板為變厚度，腹板厚0.4m。端橫梁1.743m，中橫梁4.0m。按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。本次計(jì)算將下部樁基一起模擬進(jìn)去計(jì)算，樁基根據(jù)地下土層的地基土比例系數(shù)m計(jì)算出樁基水平方向的彈簧剛度，給每個(gè)樁基單元加上一個(gè)水平彈簧約束，樁基考慮地下15m的深度，由于順橋向?yàn)閱闻艠稑痘拙壴O(shè)置豎向支撐。主梁按平面桿系單元承載能力、正常使用極限狀態(tài)均滿足部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件的規(guī)范要求。

3.2 空間實(shí)體模型計(jì)算

由于圩角河橋是典型的寬斜梁橋，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的空間受力特性，故對該橋進(jìn)行空間建模驗(yàn)算是必需的。

3.2.1 計(jì)算模型的建立

對于該橋空間模型的建立，不僅要考慮上部結(jié)構(gòu)采用何種單元模擬，還要考慮預(yù)應(yīng)力和下部樁基的模擬。

常用的空間建模手段主要有空間梁格體系、空間板殼體系、空間實(shí)體模型體系三大類，空間梁格體系可直接得到設(shè)計(jì)需要的各控制截面的荷載內(nèi)力，用于設(shè)計(jì)方便實(shí)用，但不能反映局部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；空間板殼體系對于薄壁箱梁的模擬較為準(zhǔn)確，但對實(shí)體墩的模擬顯得有些粗糙；空間實(shí)體模型體系可全面地反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并能反映出局部受力特點(diǎn)，然而模型的建立最為復(fù)雜且相對計(jì)算時(shí)間成本最大。

由于該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)體系，且中間薄壁實(shí)體墩相對梁剛度較大，其與小箱梁的連接部位應(yīng)為重點(diǎn)研究對象之一。為確保計(jì)算盡量準(zhǔn)確，本文采用了空間實(shí)體單元對上部結(jié)構(gòu)（包括實(shí)體墩）進(jìn)行了建模，下部樁基采用空間梁單元模擬，在梁與實(shí)體相接處采用剛臂處理。

在實(shí)體模型的建立中，最難準(zhǔn)確考慮的是縱向預(yù)應(yīng)力的模擬，為此，本文采用了兩種常用模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的方法進(jìn)行對比分析：（1）等效荷載法，將平面計(jì)算得到的有效預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為荷載作用在實(shí)體單元的各個(gè)截面上；（2）初應(yīng)變法，運(yùn)用桿單元的初應(yīng)變功能直接建立預(yù)應(yīng)力束并將其與實(shí)體相接部位的節(jié)點(diǎn)自由度耦合（即假設(shè)為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力）。通過對初始空心板截面兩種方法計(jì)算結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本一致，故在改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，采用了其中一種建模相對快捷的初應(yīng)變法進(jìn)行分析計(jì)算。全橋空間計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 空間有限元模型

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

該橋建模計(jì)算為滿足設(shè)計(jì)要求，取3個(gè)控制截面分別計(jì)算1＃墩頂最大拉應(yīng)力、邊跨跨中下緣最大拉應(yīng)力及中跨跨中下緣最大拉應(yīng)力。3個(gè)控制截面的最不利效應(yīng)分別對應(yīng)3個(gè)不同的荷載工況,各控制截面的計(jì)算結(jié)果如圖7~圖9所示。

圖7 1#墩頂正應(yīng)力圖（單位：Pa）

圖8 邊跨跨中正應(yīng)力圖（單位：Pa）

圖9 中跨跨中正應(yīng)力圖（單位：Pa）

計(jì)算結(jié)果表明：墩頂兩側(cè)在其最不利荷載作用下最大拉應(yīng)力達(dá)1.14MPa，最大壓應(yīng)力為6.38MPa，墩頂中間部分應(yīng)力要比兩側(cè)小。邊跨跨中在其最不利荷載作用下全截面受壓，最大壓應(yīng)力達(dá)10.1MPa，最小壓應(yīng)力為1.27MPa，全截面應(yīng)力比較均勻。中跨跨中在工況三荷載作用下全截面受壓，最大壓應(yīng)力達(dá)8.95MPa，最小壓應(yīng)力為3.69MPa，應(yīng)力從車行道側(cè)到人行道側(cè)遞減。優(yōu)化后箱型斷面比原整體空心板斷面應(yīng)力明顯均勻，這主要是兩者橫向剛度上的差別引起的。

4 橋梁設(shè)計(jì)過程中細(xì)部處理

（1）為了減少結(jié)構(gòu)在銳角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在上部箱梁結(jié)構(gòu)銳角處設(shè)置倒角，在埋置于下部的承臺兩端設(shè)置成直角，這樣可以有效減少一部分的應(yīng)力集中給結(jié)構(gòu)帶來的受力不均勻。

（2）圩角河橋兩側(cè)地塊要開發(fā)，并且橋邊孔下有汽車通道，為了不占用周圍的地塊，橋臺前面和側(cè)面均無法放坡，橋臺須做扶壁式橋臺。由于該橋斜角角度比較大，橋梁下部結(jié)構(gòu)工程量很大，為了減少下部橋臺工程量，降低工程造價(jià)，將橋臺形式改為薄壁式橋臺，薄壁式橋臺承受水平力和水平彎矩的能力比較差，為了解決這個(gè)問題，臺后填土采用了新型材料固化粉煤灰[1]。

5 結(jié)束語

該橋自2008年建成以來，已運(yùn)營15年，橋梁結(jié)構(gòu)狀況良好。對其寬斜梁大角度受力進(jìn)行了初步驗(yàn)算分析，這種大角度的斜梁受力十分復(fù)雜，計(jì)算模式、參數(shù)等雖然還比較粗略，但對指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工還是有參考價(jià)值。