弧形大懸臂整體橋墩的受力分析

田周松

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

弧形大懸臂整體橋墩的受力分析

田周松

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

介紹了一種弧形大懸臂整體橋墩，其不僅可以為上部預(yù)制結(jié)構(gòu)提供支撐，也為地面輔道提供了較大的通行空間，且造型美觀。通過桿系模型和實體模型的對比分析，得出了此類橋墩的設(shè)計簡化計算方法。計算結(jié)果表明，通過合理的設(shè)計計算，此類橋墩的受力能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

大懸臂；橋墩；蓋梁；簡化計算

0　引言

在城市橋梁建設(shè)中，為了加快工程建設(shè)進(jìn)度，縮短施工周期，上部結(jié)構(gòu)往往選擇預(yù)制結(jié)構(gòu)。同時為了提供更多的通行空間，橋下一般設(shè)有地面輔道，需要較大的通行寬度。城市橋梁除了交通功能以外，還是城市的一道風(fēng)景線，因此城市橋梁還具有很高的景觀要求。大懸臂整體橋墩能有效滿足上述需要，大懸臂蓋梁既能為上部預(yù)制梁體提供支撐，同時也為橋下地面輔道提供通行空間，墩柱和蓋梁之間的空間弧線整體過渡造型優(yōu)美［1-3］。

1　設(shè)計介紹

圖1為某高架的標(biāo)準(zhǔn)橋墩，圖2為其施工中的實景照片。蓋梁頂寬2.4 m，蓋梁中心梁高2.5 m，蓋梁根部梁高約2.85 m，蓋梁凈挑臂長達(dá)10.3m。墩身由兩根立柱和系梁組成，單根立柱橫橋向尺寸為2 m，縱橋向尺寸為1.8 m；系梁中心高為1.2 m，系梁寬1.0 m。墩身和蓋梁之間在縱橋向和橫橋向采用圓弧過渡。橋墩外側(cè)從立柱底到蓋梁頂留有落水管槽口，頂口尺寸為0.26 m，底口尺寸為0.22 m，槽深為0.22 m。

立柱和系梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大懸臂蓋梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.20高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk= 1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。鋼束立面布置如圖3所示，共布置三層鋼束，每層6束，N1、N2鋼束采用15-13，N3鋼束采用15-14。N1、N3在蓋梁混凝土齡期達(dá)到要求后上部結(jié)構(gòu)架設(shè)前張拉，N2在上部結(jié)構(gòu)架設(shè)后張拉。

圖1　弧形大懸臂整體橋墩構(gòu)造（單位：mm）

圖2　弧形大懸臂整體橋墩現(xiàn)場照片

圖3　弧形大懸臂蓋梁鋼束布置（單位：mm）

2　計算分析

整體橋墩的蓋梁按預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，立柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計。由于鋼筋混凝土立柱的設(shè)計計算為常規(guī)問題，因此本文主要討論此類整體橋墩預(yù)應(yīng)力蓋梁的受力驗算問題。首先采用桿系模型進(jìn)行簡化計算，然后采用實體模型對關(guān)鍵工況進(jìn)行對比分析，以驗證桿系簡化模型的合理性和可靠性。

2.1桿系模型分析

桿系分析時，對本文的大懸臂整體橋墩作如下簡化：橫橋向以立柱外側(cè)位置作為蓋梁的支撐點，支撐點至挑臂端部為蓋梁的計算挑臂長，蓋梁截面不考慮支撐點附近局部倒角；立柱頂部中心線按曲線建模，截面按曲線延伸取值。本文采用橋梁博士V3.3.0建立桿系計算模型（見圖4），共58個梁單元。

圖4　桿系計算模型

經(jīng)驗算，蓋梁受力滿足設(shè)計規(guī)范要求，限于篇幅，本文不詳述。

2.2實體模型分析

本文采用ANSYS建立三維實體單元模型（見圖5）?；炷翆嶓w采用solid92單元模擬；預(yù)應(yīng)力鋼束采用link8單元模擬（見圖6），預(yù)應(yīng)力與實體之間采用耦合連接，永存預(yù)應(yīng)力荷載采用降溫模擬。共103 538個節(jié)點，68142個solid92單元，1 098個link8單元。上部小箱梁荷載通過支座墊塊施加。

圖5　實體有限元模型

圖6　預(yù)應(yīng)力單元

為了方便與桿系簡化模型進(jìn)行比較，選擇受力明確的成橋恒載工況進(jìn)行對比分析。蓋梁成橋恒載作用下，水平向正應(yīng)力如圖7所示，蓋梁頂面整體效應(yīng)的最小水平壓應(yīng)力儲備約為3.2 MPa，最大壓應(yīng)力約為11 MPa，控制截面位于弧線倒角末端附近。同樣工況下，采用本文的桿系簡化模型，挑臂根部（位于立柱外側(cè)）上緣最小壓應(yīng)力儲備為2.9 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為10.1 MPa。計算結(jié)果說明，采用本文的簡化計算方法是基本可行的。

在前述成橋恒載工況的基礎(chǔ)上，施加3車道汽車偏載，進(jìn)一步研究此類大懸臂蓋梁的受力安全性。正應(yīng)力如圖8所示，最小壓應(yīng)力儲備為1.4 MPa。根據(jù)桿系計算結(jié)果，非線性溫度應(yīng)力約為2.0 MPa，實體模型結(jié)果計入非線性溫度影響后最大拉應(yīng)力為0.6 MPa，與桿系模型中短期組合挑臂根部上緣的0.6 MPa拉應(yīng)力一致。整體橋墩的主拉應(yīng)力如圖9所示，橋墩內(nèi)側(cè)圓弧存在1.9 MPa拉應(yīng)力集中，可通過加強(qiáng)內(nèi)側(cè)圓弧處的普通鋼筋解決。

圖7　蓋梁恒載正應(yīng)力（單位：Pa，以拉為正）

圖8　蓋梁恒載+汽車荷載正應(yīng)力（單位：Pa，以拉為正）

圖9　蓋梁恒載+汽車偏載主拉應(yīng)力（單位：Pa，以拉為正）

3　結(jié)語

本文通過對一弧形大懸臂整體橋墩的計算分析，得出了此類橋墩的桿系簡化方法。計算結(jié)果表明，通過合理的設(shè)計計算，此類橋墩的受力能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

［1］全炳欣.橋墩蓋梁的設(shè)計與計算分析［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013（2）：76-78.

［2］楊秀珍，王勇.大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計與應(yīng)用［J］.廣東土木與建筑，2010（1）:49-51.

［3］楊樹萍，紀(jì)秋吉，朱東.關(guān)于蓋梁計算模型的探討［J］.工程與建設(shè)，2011（1）:50-51，79.

U443.2

B

1009-7716（2016）06-0115-02

2016-02-22

田周松（1984-），男，安徽安慶人，碩士，工程師，研究方向為橋梁設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析。