城市立交匝道橋箱梁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計比選

肖 偉， 王思偉

(湖南中大設(shè)計院有限公司， 湖南 長沙 410075)

0 引言

小半徑曲線梁橋因結(jié)構(gòu)性強、施工操作性好及外觀優(yōu)美等優(yōu)點，近年來逐漸在我國城市橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但在早期竣工的曲線橋工程中，出現(xiàn)過由支座脫空引起的橋面?zhèn)确暗顾戎卮笫鹿?，?yán)重影響了橋梁的安全使用，針對該類型橋梁的設(shè)計進行深入研究具有重要意義[3]。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于曲線梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計展開了大量研究，如蔣超[4]針對城市大型立交連續(xù)箱梁橋的設(shè)計工作進行分析，并且根據(jù)不同方面的影響因素提出了有效的施工核心技術(shù)。何雄君等[5]利用Midas建立武漢市某立交匝道橋有限元模型并進行分析計算，證明了曲線半徑的取值、車輛荷載的交通管控及曲線橋的支座布置形式等均對大跨度小半徑曲線梁橋的抗傾覆穩(wěn)定有較大影響。史方華等[6]提出一種新型彎橋支座布置方案及支座形式，通過建模分析證明了此布置方案可用于實現(xiàn)箱梁傾覆變形的分類控制，為曲線梁橋提升抗爬移及提升傾覆承載力提供科學(xué)經(jīng)濟的解決方案。辛法[7]依托長治至臨汾高速公路項目中一處實體工程進行了獨柱墩曲線梁橋支承情況分析，發(fā)現(xiàn)采用端橫梁加寬拉大邊支點間距、中支點向曲線外側(cè)預(yù)偏的工程措施可明顯改善結(jié)構(gòu)受力。上述研究在比較曲線橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)時，大多是針對同類型箱梁結(jié)構(gòu)進行參數(shù)設(shè)計，而關(guān)于不同箱梁結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計研究還有待進一步完善?；诖耍疚尼槍δ吵鞘辛⒔辉训罉蛟O(shè)計方案，提出了一種更具優(yōu)勢的箱梁結(jié)構(gòu)形式，并對比分析了兩種箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的變形機理及受力特點，其結(jié)論可為類似小半徑曲線梁橋的設(shè)計研究提供一定參考。

1 工程概括

某城市立交匝道橋平面線形位于R=60 m的圓曲線上，縱坡3.2%，上部結(jié)構(gòu)采用鋼 — 混凝土疊合箱梁，截面形式為單箱雙室連續(xù)箱梁，跨徑布置為20 m+2×30 m+20 m，填筑采用C50混凝土，箱梁頂板寬9.25 m，底板寬5.8 m，跨中和支點梁高均為2.0 m，梁端橫梁寬為1.5 m，中跨橫梁寬2.0 m，跨中位置布置一道寬40 cm的橫隔板，每個腹板布置4根預(yù)應(yīng)力鋼束，采用φ15.2低松弛高強度鋼絞線。橋面設(shè)計寬度8.75 m，單向兩車道，最高時速40 km/h，荷載等級為公路-Ⅰ級。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙薄壁空心墩，填筑采用C40混凝土，每墩布置3道橫系梁，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，直徑為50 cm，呈梅花形布置。上、下部結(jié)構(gòu)連接支座采用盆式橡膠支座，間距4.5 m。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁設(shè)計立面布置圖(單位： m)

2 箱梁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計及建立模型

為選擇更為理想的箱梁結(jié)構(gòu)形式，提高曲線梁橋的安全穩(wěn)定性，采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱梁形式與原橋設(shè)計的箱梁結(jié)構(gòu)形式進行曲線梁橋受力對比分析。通過運用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立原鋼 — 混凝土連續(xù)曲線梁橋數(shù)值模型，其中上部結(jié)構(gòu)主梁及下部結(jié)構(gòu)橋墩和樁基均采用梁單元模擬，計算模型中共包含682個單元和733個節(jié)點。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型示意圖

建模時保持其他設(shè)計參數(shù)不變，僅改變箱梁結(jié)構(gòu)形式，以確保計算結(jié)果的精準(zhǔn)性。計算過程中采用恢復(fù)力模型來模擬活動支座，對固定支座進行現(xiàn)行約束處理，對樁基進行非線性彈簧約束處理，墩梁連接采用固結(jié)形式。計算參數(shù)：C50混凝土容重取26 kN/m3，彈性模量取3.5×104MPa，泊松比取0.25；C40混凝土容重取24 kN/m3，彈性模量取3.25×104MPa,泊松比取0.25；φ15.2鋼絞線容重取78 kN/m3，彈性模量取19.5×104MPa，泊松比取0.3。計算荷載主要考慮恒載+活載作用，設(shè)計汽車荷載為城市-A級，人群荷載為7.8 kN/m2。

3 成橋階段受力對比分析

運用軟件分別建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和鋼 — 混凝土疊合箱梁曲線梁橋計算模型，并針對橋梁兩種結(jié)構(gòu)形式成橋階段的豎向撓度、支座反力、結(jié)構(gòu)扭矩及剪力變化規(guī)律進行對比分析。

3.1 撓度對比分析

分別計算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋的主梁中跨各關(guān)鍵截面撓度值，并針對其最大豎向撓度值進行對比分析，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 2種結(jié)構(gòu)形式最大撓度變化曲線

根據(jù)圖3可知，不同箱梁結(jié)構(gòu)形式的曲線梁橋主梁各截面最大豎向撓度變化趨勢存在較大差異，其中采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橋梁各截面豎向撓度整體變化相對較小，而采用鋼 — 混箱梁的橋梁各截面豎向撓度變化相對較大。采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和鋼 — 混箱梁的曲線梁橋跨中截面的豎向撓度相差較小，最大值分別為-5.26 mm和-7.78 mm，相差僅-2.52 mm，而2種箱梁形式橋梁邊跨截面的豎向撓度值相差較大，其中采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橋梁邊跨截面最大豎向撓度分別為-6.76 mm和-6.34 mm，采用鋼 — 混箱梁的橋梁邊跨截面最大豎向撓度分別為-39.26 mm和-39.47 mm，二者差值達(dá)到了-32.5 mm和-33.13 mm，相對于跨中截面的最大豎向撓度差值更大，由此說明2種箱梁形式對于曲線梁橋跨中撓度的影響基本一致，但鋼 — 混箱梁對于橋梁邊跨撓度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。

3.2 支座反力對比分析

分別計算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋3#～4#墩的支座反力值，并針橋梁曲線內(nèi)、外側(cè)最大支座反力進行對比分析，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 2種結(jié)構(gòu)形式支座反力變化曲線

根據(jù)圖4可知，不同箱梁形式的曲線梁橋各墩支座反力基本呈對稱分布，且邊墩內(nèi)外側(cè)的支座反力均小于中墩內(nèi)外側(cè)的支座反力。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的各墩曲線外側(cè)支座反力均要小于內(nèi)側(cè)支座反力，采用鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的各墩曲線外側(cè)支座反力均要大于內(nèi)側(cè)支座反力，2種箱梁結(jié)構(gòu)的橋墩支座反力大小分布正好相反。采用鋼 — 混箱梁的橋梁邊、中墩最小支座反力分別為446 kN和1 441 kN，而采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橋梁邊、中墩最小支座反力分別為749 kN和2 459 kN，相對于鋼 — 混結(jié)構(gòu)橋梁支座反力儲備更為充足。其中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼 — 混結(jié)構(gòu)橋梁的邊墩內(nèi)、外側(cè)支座反力最大差值分別為1 505 kN和351 kN，中墩內(nèi)、外側(cè)最大差值分別為2 097 kN和3 222 kN，考慮到中墩作為曲線梁橋的主要承重結(jié)構(gòu)，其曲線內(nèi)、外支座反力差值過大極易出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致橋梁發(fā)生傾覆。綜合支座反力儲備情況和橋梁穩(wěn)定性來看，該曲線梁橋箱梁選擇預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。

3.3 扭矩對比分析

分別計算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋3#～4#墩的扭矩值，并針橋梁邊墩及中墩的最大扭矩值進行對比分析，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 2種結(jié)構(gòu)形式最大扭矩變化曲線

根據(jù)圖5可知，2種箱梁結(jié)構(gòu)橋梁各墩的最大扭矩值分布形式存在較大差異，其中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊墩的最大扭矩值要大于中墩最大扭矩值，邊、中墩最大扭矩值分別為3 529 kN·m和2 159 kN·m，整體相差約38.8%，而鋼-混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊墩扭矩值要遠(yuǎn)小于中墩，邊、中墩最大扭矩值分別為730 kN·m和3 085 kN·m，整體相差達(dá)到76.3%。鋼-混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大扭矩差值相對較大，約為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)邊、中墩扭矩最大差值的1.9倍，曲線梁橋邊、墩最大扭矩差值過大不利于扭力在全橋范圍的合理分布，因此，該橋選擇預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)形式可以使曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力更為合理。

3.4 結(jié)構(gòu)剪力對比分析

分別計算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋3#～4#墩的剪力值，并針橋梁邊墩及中墩的最大剪力值進行對比分析，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種結(jié)構(gòu)形式最大剪力變化曲線

根據(jù)圖6可知，采用不同箱梁結(jié)構(gòu)橋梁各墩所產(chǎn)生的剪力值應(yīng)力不同，其中曲線橋4#和6#墩的最大剪力值相差不大，但3#、5#及7#墩的最大剪力值相差較為明顯，說明箱梁結(jié)構(gòu)形式對橋梁剪力值存在較大影響。2種箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊墩的最大剪力值均要小于中墩的最大剪應(yīng)力，其中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊、中墩最大剪力值分別為2 839 kN和3 440 kN，整體相差約17.4%，而鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大剪力值分別為2 169 kN和3 548 kN，整體相差達(dá)到38.7%，相對于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大剪力差值更大，相差約2.2倍。由此可知，該橋選擇預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)可以使曲線梁橋剪力分布更為均勻，結(jié)構(gòu)受力更為合理，相對于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

1) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的最大豎向撓度為-7.78 mm，而鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的最大豎向撓度達(dá)到了-39.47 mm。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁相對于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁下?lián)现敌×思s-32 mm，可以更好控制結(jié)構(gòu)變形。

2) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的最小支座反力為749 kN，相對于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的446 kN支座反力儲備更為充足；同時，鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁中墩曲線內(nèi)、外側(cè)支座反力差值要遠(yuǎn)大于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁，穩(wěn)定性相對較差。

3) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊、中墩最大扭矩差值為38.8%，而鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊、中墩最大扭矩差值達(dá)到了76.3%，從扭力在全橋范圍分布情況來看，預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。

4) 鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩剪力最大差值為38.7%，相對于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大剪力差值更大，相差約2.2倍。綜合來看，該橋選擇預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)對于控制變形及結(jié)構(gòu)受力合理性均要優(yōu)于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)。