整体现浇钢筋混凝土实心板桥力学性能分析及设计应用

刘建达

（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030012）

整体现浇钢筋混凝土实心板桥是一种常用的、成熟的桥梁上部结构形式，其具有建筑高度较小、工程适应性强、结构构造简单、整体性能较好、横向刚度较大、施工工法方便等优势[1]。本文以援孟加拉国孟中友谊八桥工程引道一座1-12 m 整体现浇钢筋混凝土实心斜板桥为例，进行介绍。

1 设计方案概况

依据现场实地调查以及当地小桥建设情况，本次设计桥梁上部结构采用1-12 m 整体现浇钢筋混凝土实心板结构，下部结构采用薄壁台[2]，钻孔灌注基础。桥梁全长19.5 m，右前夹角为130°，本桥平面位于R=400 m 的左偏圆曲线上，桥面横坡为单向-3%，纵断面纵坡-0.61%；桥台径向布置。整体现浇钢筋混凝土实心板顶宽13.4 m，板底宽11.4 m，板厚0.7 m，两侧翼缘板悬挑长度1.0 m，悬臂端部厚度0.2 m，悬臂根部厚度0.4 m，依据商务部文件要求，本项目依据中国现行规范和标准进行设计，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，桥面全宽为13.4 m，桥面净宽为10.9 m，桥型布置图见图1（见44页），实心板横断面图见图2。

图1 桥型布置图

图2 实心板横断面图

2 整体斜板桥的理论受力特点

简支斜板桥在受力上呈现如下规律[3]：

a）简支斜板桥荷载向支承边最短距离方向传递分配，斜板中间的主弯矩方向和支承边垂直，斜板边缘的主弯矩和自由边平行。

b）简支斜板桥纵桥向主弯矩比同跨径的简支正交板桥小。

c）简支斜板桥纵桥向最大弯矩，会随简支斜板桥斜交角度的增大从其跨中向钝角位置移动变化。

d）简支斜板桥在支座边上的支座反力分布不均匀，钝角处支座反力比正交板大几倍，锐角处支座反力变小，甚至可能产生负反力，导致支座脱空[4]。

3 整体斜板桥力学性能分析

3.1 Midas Civil模型概况

由于该斜板桥的斜交角大于15°，应按照斜交板桥进行设计计算[5]，按照斜交板的受力规律，运用Midas Civil 软件建立的有限元模型如图3所示。模型采用板单元[6]模拟整体斜板桥，桥梁支座采用一般支撑进行模拟，模型共有221 个节点，192 个单元。

共享经济的明显优势体现在资金和时间上，这两项不仅仅是供应方的成本，还是需求方的成本，在降低成本的基础上，平台通过互联网大大提高了资源配置的效率。

图3 有限元模型图

3.2 模型的计算参数

a）汽车冲击系数 考虑冲击作用，按车道面[7]荷载施加公路-Ⅰ级荷载。由《公路桥涵设计通用规范》( JTG D60—2015)[8]规定，由结构基频计算汽车荷载的冲击系数。

b）二期恒载 将护栏和桥面铺装荷载平均分配到整个桥面，折算为面荷载7.2 kN/m2。

c）间接作用 温度作用按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)的规定取用，收缩、徐变按照《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[9]的规定计算。

3.3 斜交板支座反力分析

斜交板结构在荷载作用下各支座处的支反力分布不均匀，为了分析其空间受力特性并排除其他因素的影响，仅分析在恒载作用产生的支座反力分布情况[10]，图4可知，钝角处的支座反力为381.6 kN，而锐角处的支反力为12.4 kN，简支斜交板桥结构在恒载工况下支座反力分布不均匀，其具有空间分布的受力特点，由锐角处支座到钝角处支座反力呈现先平稳增大，临近钝角处突变减小继而再急剧增大的趋势。

图4 自重作用下支反力图

3.4 斜交板内力分析

图5 主弯矩分布图

正交板结构，板内内力分布规律明确，斜交板结构，板上荷载有向着支承边的最短距离传递分配的趋势，斜交板上述荷载传递方向导致其内力分布规律较为复杂，为了分析其内力特性并排除其他因素的影响，只研究在自重作用下的主弯矩分布规律，由图5可知简支斜板桥中间的主弯矩与支承边方向基本垂直，简支斜板桥边缘的主弯矩与自由边平行[11]。

3.5 斜交板结构变形分析

由图6可知，斜交板结构在长期效应组合下，其变形曲面呈现为马鞍形分布。最大位移变形值为3.5 mm，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）的要求。

图6 位移变形曲面图

4 整体斜板桥钢筋布置

a）斜交板结构顺桥向、横桥向主筋依据有限元计算分析结果，提取顺桥向弯矩和横桥向弯矩按照计算要求配置。

b）由于斜交板L/b（跨径/支承边长度）=12/(13.4/cos40°)=0.686，L/b<1.3 时，应按照图5所示主弯矩分布规律布筋。简支斜板桥中部主筋配置在与支承边相垂直的方向上，简支斜板桥在靠近自由边的局部范围（12/cos40°）内沿着斜跨方向布置边部主筋[12]。

c）L/b<1.3 时，分布钢筋应沿平行于支承边布置，配置于截面上缘的分布钢筋，其沿桥轴线方向每米长的数量为下缘的1/3。

d）斜交板受力状态较复杂，内力变化较剧烈，还应在内力变化剧烈和扭矩作用突出的地方增设附加钢筋[13]。

（a）在钝角顶面设置与钝角平分线垂直的附加钢筋。

（b）为抵抗扭矩，附加钢筋在支承边和自由边的每边L/5 范围内设置。

（c）由图5可知，钝角处的正弯矩平行于钝角的角平分线，故附加钢筋应设置在平行于钝角平分线的方向。

（d）由于钝角支反力大，应增设加强钢筋。

5 结语

本文采用有限元计算和斜板桥受力的基本理论相结合的方法，通过有限元分析，得出斜交板桥的受力特性和变形规律，在今后类似工程中注意以下几点：

a）整体斜交板结构的支座选型时避免钝角处支反力集中导致支座破坏，锐角处支座反力小，有脱空造成桥梁侧翻的可能。

b）整体斜板结构应结合其内力分布规律及变形曲面的位移规律来配筋，并应在相应位置设置附加钢筋和局部加强钢筋，以避免局部出现裂缝。