基于空间梁格法的大跨度变宽鱼腹式箱梁受力分析

樊星辰，岳仁辉

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

合肥市二环路是合肥市一条重要的环线道路，是众多车辆进出合肥市区的必经之路。我公司负责设计的北二环(西二环至合武铁路段)，全长约5.0 km，道路红线70 m，局部红线宽60 m。作为贯穿东西向城市快速路，北二环高架桥的景观效果要求高。上部结构采用底板为弧线的鱼腹式箱梁，下部结构为柱式花瓶墩，既保证桥梁结构安全，同时营造动感轻盈的视觉效果。

上跨森景大道联采用(35+50+35)m鱼腹式变高变宽预应力混凝土连续箱梁。梁高2.2～3 m，梁宽43.591～31.459 m，铺装层为10 cm厚沥青混凝土+8 cm厚混凝土调平层。

本联为变高变宽结构，变宽比12.132 m/120 m，通过各箱室变宽实现本联结构宽度变化。由于箱室尺寸存在差异，各腹板的分配荷载不同。目前桥梁设计人员仍普遍采用单梁建模法，通过调节偏载系数(通常取1.15)进行类似结构设计和验算。这种经验性的估算系数存在一定的弊端：要么结构冗余度过大造价增加，要么结构安全储备不足。

为了较为准确模拟箱梁各腹板受力情况，本文以该联为对象进行精细化分析计算。

1 桥梁模型

最新版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(以下简称《公预规》)提出，变宽等复杂桥梁结构可采用实体有限元或实用精细化分析模型计算。实体单元建模分析结果更加真实，但建模、计算效率低，与现行规范结合度差等不足使得其在桥梁设计领域难以大规模应用。梁格法兼顾了建模效率和结果可靠性，较为广泛应用在桥梁工程中。

采用大型通用有限元软件midas civil建立空间梁格有限元模型如图1所示。按照部分预应力A类构件设计，全桥共计1 865个单元，1 866个节点。计算荷载包括：结构自重、整体升降温、梯度温差、城-A活载、支座沉降、二期荷载。

图1 梁格法有限元模型示意图

2 承载能力极限状态强度验算

选取1#边腹板和5#中腹板作为纵向计算代表构件，验算结果如图2、图3所示，中腹板根部最大内力为33 547.2 KN·m，跨中最大内力为24 473.6 KN·m；边腹板根部最大内力为46 445.8 KN·m，跨中最大内力为26 201.1 KN·m。边中腹板内力分配比例约为1.38～1.07。

图2 正截面抗弯承载力验算图(中腹板)

图3 正截面抗弯承载力验算图(边腹板)

3 持久状况正常使用极限状态抗裂验算

验算结果如图4～图7所示，中腹板短期组合下最大拉应力值0.29 MPa，边腹板短期组合下最大拉应力值0.37 MPa，均出现在边跨边墩附近区域；中腹板和边腹长期组合下均未出现拉应力。结果均满足最新《公预规》6.3.1条要求。

图4 短期效应组合抗裂验算图(中腹板)

图5 短期效应组合抗裂验算图(边腹板)

短期和长期组合中截面上缘应力分布较均匀，下缘由于截面变高导致应力差较大。边腹板较中腹板应力绝对值较大，即相同配束情况下中腹板的安全冗余度较高。

图6 长期期效应组合抗裂验算图(中腹板)

图7 长期效应组合抗裂验算图(边腹板)

3 持久状况压正常使用极限状态压应力验算

验算结果如图8～图9所示，标准组合下中腹板最大压应力15.1 MPa，边腹板最大压应力15.2 MPa，均出现在中墩附近区域。结果均满足最新《公预规》7.1条要求。

图8 标准组合下压应力验算图(中腹板)

图9 标准组合下压应力验算图(边腹板)

4 结 语

本文通过建立精细化梁格模型，并结合活载影响面加载方式，对鱼腹式变宽变高连续箱梁的各纵横构件进行设计分析。经计算分析得到如下结论。

(1)由于车道荷载分布、箱梁剪力滞效应及箱梁自重分布等影响，各腹板的内力分布不同，类似宽跨比较大的鱼腹式箱梁应进行精细化建模分析验算。

(2)鱼腹式箱梁边腹板分配内力相对中腹板大，工程设计中宜适当增大边腹板钢束数量。

(3)鱼腹式箱梁边腹板与中腹板内力分配比约为1.37～1.05(均值约1.21)。为提高设计效率，可采用单梁建模计算类似结构，但宜提高偏载系数值，以保证适当的结构安全储备。