龙塘立交桥上部折面梁格分析及异形墩配筋设计

张晋媛

(山西省交通规划勘察设计院,山西 太原 030012)



龙塘立交桥上部折面梁格分析及异形墩配筋设计

张晋媛

(山西省交通规划勘察设计院,山西 太原 030012)

以一座单箱四室的城市跨线高架桥为例，采用慧加软件建立折面梁格计算模型，根据各道腹板剪力分配的比例配置纵梁预应力钢束，同时介绍了中横梁配束计算原则。针对桥墩特点采用实体单元分析了桥墩受力，根据计算结果配置桥墩系梁钢筋，并对墩身受力复杂部分箍筋配置提出指导性意见。

单箱四室； 折面梁格；横梁计算；异形墩实体分析

1　工程概况

龙塘立交桥是广东省中山市加密八线工程，为跨越龙塘二路而设的一座跨线高架桥。桥型采用(3×30+3×30+(35+50+35)+3×30+3×30) m，上部结构采用现浇预应力混凝土连续箱梁，单箱四室，左右幅整体设计，桥梁平面位于直线上，纵面位于R=4 500 m的竖曲线上，桥宽：0.5 m(护栏)+12.7 m(行车道)+0.6 m(中分带)+12.7 m(行车道)+0.5 m(护栏)，采用盆式橡胶支座，桥墩采用薄壁墩、桩基础，桥台采用座板台、桩基础。上部结构采用C50混凝土，墩身采用C40混凝土，承台、桩基采用C30混凝土。

本文以第一联为例阐述结构受力分析。现浇箱梁高1.9m，采用单箱四室结构，悬臂长2.5 m，箱梁顶宽27 m，底宽17.7 m，边腹板采用斜腹板，腹板厚度由45 cm渐变至70 cm，顶板厚度采用25 cm，底板厚度采用22 cm，端横梁厚1.5 m，中横梁厚2.5m，横向设置两个支座，支座间距8.5 m，对中布置。箱梁跨中横断面见图1。纵向预应力钢束均布置在腹板处，单个腹板布置6道。

图1　箱梁跨中横断面(m)

2　结构整体计算

2.1折面梁格模型

初步设计时采用Midas软件，建立单梁模型分析上部结构。单梁模型不能反映各道腹板的剪力分配，故施工图设计时建立梁格模型。

对于梁格计算方法的技术文献最常见的是Hambly的著作《Bridge Deck Behavior》中有关平面梁格方法的叙述。事实上，Hambly梁格存在两个误区：第一是过分强调梁格划分后各分离截面的形心必须保持与原整体截面形心一致，所以按照该方法建立的梁格一定在一个面上，称为平面梁格模型；第二是采用了许多近似参数试图将箱梁剪扭问题一并解决。

如果没有横梁，Hambly方法是对的，即整体截面分解后的刚度“合成”后必须等同于原刚度，截面形心也不变。但是慧加软件认为模型中的纵梁截面及其刚度的“合成”或“组装”是由横梁完成的，纵梁可以自由划分，所以按照慧加方法建立的梁格不一定在一个面上，形成一个折面的形式，称折面梁格。折面梁格可以较准确的计算构件纵、横向的正应力与竖向位移。

慧加结构分析与设计软件(WISEPLUS)开发于20世纪80年代，框架与基础由原同济大学桥梁工程系教授杜国华先生创建，并于1995年～2006年进行了大量的国内外工程应用，后由上海慧加软件有限公司按照市场化的要求对其进一步完善，2009年推出初期版本，2015年推出v3.7版。慧加软件活载加载采用影响面加载。目前其他常用结构分析软件均为影响线加载。区别于影响线的一维加载，影响面加载是针对指定区域中沿纵桥向和横桥向的二维加载。在活载加载时，并不仅仅在这几条加载线上，而是在整个影响面范围内均可进行车道荷载的布置，即考虑了实际情况的车道灵活布置。这点相对于一般的空间梁单元有限元程序，是慧加程序的一项特色功能。

采用慧加软件建立该桥的折面梁格计算模型。箱梁纵向划分为13道梁，如图2所示。根据图纸中钢束的实际布置情况，将钢束分配给2、3、5、7、9、11、12号纵梁。

图2　箱梁纵梁划分图

相关参数取值如下：

锚具：锚具变形、钢筋回缩取6 mm(一端)；

管道摩擦系数：μ=0.25，管道偏差系数：κ=0.0015；

支座不均匀沉降：Δ=10 mm；

竖向梯度温度效应：考虑沥青铺装层和桥面现浇层对梯度温度的影响, 按现行规范规定取值；

年平均相对湿度：70%；

活载：公路I级，按3道加载，横向折减系数0.78。

全桥共计节点715个，单元756个。

2.2计算结果

为了有针对性的配束，提取了恒载作用下剪力在箱梁截面上的分配。结果显示，中腹部(3、5、7、9、11号纵梁)承担70%的剪力，悬臂(1、13号纵梁)传递的剪力可以忽略不计，斜腹板(2、12号纵梁)传递12%的剪力，其余部分由顶底板承担。需特别指出的3、11号纵梁分配的剪力最大，约为总剪力的17%。边腹板承担的剪力最大，故边腹板钢束采用19øs15.2、17øs15.2混用，其余腹板钢束均采用17øs15.2。

持久状况承载能力极限状态计算分析表明，结构抗弯、抗剪承载能力满足要求。3号纵梁的部分计算结果，如图3、图4所示。

图3　3号纵梁正截面抗弯承载能力验算

图4　3号纵梁斜截面抗剪承载能力验算

持久状况正常使用极限状态计算，短期组合正截面抗裂验算：最大拉应力为0.05 MPa，拉应力限值为1.855 MPa，满足要求；短期组合斜截面抗裂验算：最大主拉应力为0.98 MPa，主拉应力限值为1.325 MPa，满足要求；长期组合正截面抗裂：最大拉应力为-0.3 MPa(压应力)，拉应力限值为0，满足要求。

持久状况正截面最大压应力验算：最大压应力为-12.9 MPa，拉应力限值为-16.5 MPa，满足要求。

持久状况预应力钢筋最大拉应力验算：钢绞线最大拉应力为1 202 MPa，拉应力容许值为1 209 MPa，满足要求。

短暂状况应力计算，混凝土压应力验算：最大压应力为8.8 MPa，压应力容许值为22.6 MPa，满足要求；最大拉应力为-2.5 MPa(压应力)，拉应力容许值为1.855 MPa，满足要求。

由上述结果可知，主梁在承载能力极限状态和正常使用极限状态的各种工况组合下，内力、变形均满足规范要求。

3　中横梁计算

中横梁为位于桥墩处2.5 m厚的实心段梁体。为便于计算横梁截面，取与实心段相邻的空腹断面，该处腹板厚度为70 cm。以该断面建立横梁计算的杆系模型，本桥箱梁顶宽27.7 m，底宽17.7 m，横梁横向尺寸较大，横梁内力受横梁自身刚度及支座位置的影响较大，一般情况下，支座处腹板的剪力分配较大，因此不能简单地认为全部是由腹板均匀传递。在计算横梁内力前，首先需要确定横梁各部分承担剪力的比例，然后按比例将外荷载施加在横梁上。

由于恒载产生的支反力在总反力中的比例比活载大得多，因此将恒载作用下横梁各部分剪力分配的比例作为计算依据。由上部结构整体计算结果可知，横梁断面上2、3、4、5、6、7号纵梁分配的剪力分别为6%、17%、3.5%、13%，5.5%、10%，按此比例将荷载施加在横梁杆系模型上计算。

根据计算结果，标准组合下支点上缘最大负弯矩21 000 kN·m，钢筋混凝土无法满足受力要求，需配置钢束。通过计算配2排各7道15φs15.2钢束，横梁满足A类预应力混凝土构件受力要求。

4　桥墩计算

以2号墩为例计算桥墩受力。双柱实心墩，柱间净距由墩底4.8 m过渡到墩顶5.8 m，单柱横桥向宽由2 m过渡到2.85 m，墩高6 m，墩底2 m为等截面段，墩顶以下4 m为曲线变化段，墩顶以下0.6 m设置一道系梁，墩身顺桥向厚1.6 m，系梁顺桥向厚1.2 m。桥墩构造如图5。

图5　桥墩构造图

为了准确掌握桥墩受力状态，建立桥墩8节点未配筋实体单元计算模型，共14 812个节点，5 992个单元，约束柱底全部位移。支反力取标准组合下的最大值，根据结构整体计算该处单个支座最大支反力为1 4000 kN。将该力作为面荷载施加在墩顶垫石范围内，荷载强度为14 000/(1.2×1.2)=9 722 kN/m2。

根据实体单元的计算结果，系梁受拉，与系梁上缘连接的墩身也受拉，如图6所示。根据实体单元的应力计算结果，通过积分计算可求得指定截面的内力从而指导系梁配筋。以系梁跨中截面为例，截面尺寸为1.2 m×1.2 m，实体单元提取的计算结果为上缘拉应力为3 570 kPa，下缘拉应力为50 kPa，全截面受拉。目前配筋理论是基于截面内力的，故需要通过积分求得的该截面内力为：轴力2714kN，弯矩540 kN·m，该截面符合平截面假定，属于小偏心受拉构件。根据截面受力特点上缘配2排Ф32钢筋，单排12根，下缘配12根Ф28钢筋，验算结果表明承载能力极限状态下截面抗力6 842 kN大于截面内力3 257 kN，正常使用极限状态下裂缝宽0.09 mm，小于裂缝限值0.2 mm，满足要求。

竖向正应力如图7，可以看出桥墩受力复杂，大部分区域受压，最大压应力为10 700 kPa，应力水平不高，C40混凝土抗压强度设计值为18 400 kPa，墩身尺寸合理。墩身与系梁上缘连接的区域受拉，该区域X向拉应力为3 100 kPa，Y向拉应力为2 700 kPa，Z向拉应力为800 kPa，主拉应力为4 500 kPa，该区域配筋时要加强箍筋对主筋的约束，配置复合箍筋。

图6　横桥向正应力图

图7　竖桥向正应力图

5　结论

(1)折面梁格模型可以准确计算单箱多室箱梁各道腹板剪力分配，根据恒载作用下各道腹板剪力分配情况可以更有针对性的指导设计者配束，避免盲目配束带来后期调束困难。

(2)中横梁内力受自身刚度及支座位置影响较大，实际计算时可以根据恒载作用下剪力分配比例将荷载施加在横梁顶计算横梁内力。

(3)本桥支座间距小，横桥向箱梁悬臂大，中横梁计算结果表明需配置预应力才能满足结构受力要求。

(4)系梁的实体分析结果显示跨中截面为小偏心受拉，截面上、下缘均需要配受力钢筋。

(5)与系梁上缘相接的墩身区域三向受拉，主拉应力值较大，应适当加强该区域配箍率。

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Bridge decks fold-surface beam-grid analysis and irregular shape pier reinforcement design of Longtang overpass

ZHANG Jin-yuan

(Shanxi Provincial Transport Planning &Survey Institute,Taiyuan 030012,China)

Taking a urban viaduct with single box and four chamber for example,fold-surface beam-grid calculating model was established using WISEPLUS.Prestressed tendons setting can be achieved according to the proportion of each web shear distribution.The principle of middle cross beams prestressed tendons setting was introduced at the same time.The stress of pier was analyzed with entity unit according to the characteristics of pier.According to the calculating results,the steel bar of pier collar beam was set and the better guidance of stirrups setting in the pier stress complex parts can be achieved.

single box four chamber;fold-surface beam-grid;collar beam calculation;irregular shape pier unit

2015-12-24

张晋媛(1985—)，女，山西定襄人，硕士，工程师。

1674-7046(2016)04-0060-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.012

U442

A