特寬橋梁的計(jì)算探討

馬 琳 ，高建軍 ，趙興中

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市3000457；2.山東華鑒路橋技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

0 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2011年8月底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.19億輛，其中汽車保有量突破1億輛。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)國(guó)家或者地區(qū)每百萬(wàn)戶汽車保有量達(dá)到20萬(wàn)輛以上時(shí)，就認(rèn)為進(jìn)入了汽車社會(huì)。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，北京、天津和浙江省已經(jīng)提前進(jìn)入了汽車社會(huì)。《藍(lán)皮書（2011）》中提到，2010年北京市百萬(wàn)戶居民私人汽車約為60萬(wàn)輛，2009年天津百萬(wàn)戶居民私人汽車就達(dá)到25.3萬(wàn)輛，浙江省2010年全省城鎮(zhèn)每百萬(wàn)戶居民私人汽車26.43萬(wàn)輛。為了保證城市交通的快速、安全與暢通,很多城市都在進(jìn)一步拓寬城市道路,城市特寬橋梁也就應(yīng)運(yùn)而生。

據(jù)文獻(xiàn)[1]表明:寬度大于40 m的城市橋梁已有很多,有的甚至達(dá)到80 m以上。城市特寬橋主要為原有舊橋的改建加寬[2]和新建特寬橋。其結(jié)構(gòu)形式主要有分離型和并聯(lián)整體型。分離型是指為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將一座橋分成相互獨(dú)立的幾座相對(duì)較窄的橋梁?jiǎn)为?dú)受力進(jìn)行分析;整體型主要是指不管橋有多寬,設(shè)計(jì)時(shí)按整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,其受力分析較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)顯著。本文著力于典型工程實(shí)例，對(duì)相關(guān)特寬橋梁的受力規(guī)律進(jìn)行研究，從設(shè)計(jì)的角度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，具有較好的理論及工程實(shí)用價(jià)值。

1 工程實(shí)例

該工程全長(zhǎng)均為35.12m，寬度在10.80～67.96m之間。上部結(jié)構(gòu)形式為（11.5+11.5+11.7）m的整體現(xiàn)澆式鋼筋混凝土連續(xù)實(shí)心板，支點(diǎn)根部板厚為0.8 m，跨中板厚為0.6 m；下部結(jié)構(gòu)為柱式墩，挖孔樁基礎(chǔ)。如圖1所示。

2 計(jì)算方法

特寬橋的構(gòu)造尺度的特性決定了其設(shè)計(jì)計(jì)算的特點(diǎn)。對(duì)于平面分離體系的寬橋,一般按幾座橋梁?jiǎn)为?dú)受力來進(jìn)行分析,互不相干。每一部分從基礎(chǔ)到橋面都是相互獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)的。這種體系的結(jié)構(gòu)形式多采用簡(jiǎn)支梁,因這種體系設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單,且有很多現(xiàn)成的資料可以引用,故應(yīng)用較廣泛。對(duì)于平面整體體系的寬橋,將橋面沿橫向分成幾跨,跨與跨之間的橫梁簡(jiǎn)支或連續(xù)搭接,互不獨(dú)立,從基礎(chǔ)到橋面為一整體，因?yàn)闃蛎姘宓目v橫方向尺寸處于同一數(shù)量級(jí),因此需要按雙向板來考慮計(jì)算受力。另外,由于其寬跨比較大,而荷載的橫向分布與結(jié)構(gòu)的尺寸有關(guān),因此,荷載橫向分布的計(jì)算有別于普通橋梁。這種體系克服了平面分離體系的缺點(diǎn),是以往城市特寬橋設(shè)計(jì)的主流。隨著有限元軟件的普及和提高，城市特寬橋采用有限元進(jìn)行實(shí)橋分析已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

2.1 實(shí)體網(wǎng)格的劃分

在有限元建模分板中，采用什么樣的網(wǎng)格劃分方法是一個(gè)很重要的步驟，因?yàn)楹玫木W(wǎng)格劃分將直接提高求解的速度和結(jié)果的精度。根據(jù)本文所研究的變結(jié)構(gòu)，建立的模型采用的是一種比較規(guī)整的映射網(wǎng)格劃分的方法，它的劃分規(guī)律為：對(duì)于平面劃分，只能劃分為四邊形面，所形成的單元都是平面四邊形，而對(duì)于實(shí)體，只能劃分為規(guī)整的六面體，形成的實(shí)體單位都是六面體單元。

2.2 本文所建立的模型劃分

（1）本文采用MIDASCIVIL 2010進(jìn)行驗(yàn)算，建立空間模型，采用四邊形板單元模型，共劃分6 691個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 525個(gè)單元。計(jì)算模型如圖2所示。

從圖2可以看到，映射網(wǎng)格模型無論是在縱向還是橫斷面上，單元分割整齊劃一，密度適中，這樣的網(wǎng)格劃分能滿足求解的需要。

（2）為進(jìn)行對(duì)比分析，采用橋博3.2建立同等跨度，相同受力條件下模型。

3 計(jì)算分析

3.1 縱向受力分析

僅考慮自重及活載的作用下，兩種結(jié)構(gòu)在縱橋向比較分析結(jié)果如圖3~圖6所示。

由圖3~圖6可見，普通結(jié)構(gòu)縱橋向彎矩最大點(diǎn)位置與空間結(jié)構(gòu)彎矩最大點(diǎn)位置在第二跨與第三跨靠近支點(diǎn)處區(qū)別較大，主要原因?yàn)檫@兩跨橋?qū)捲黾虞^快，但是最大點(diǎn)彎矩兩數(shù)值比相差在5%以內(nèi)，僅按照普通結(jié)構(gòu)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)基本符合規(guī)范要求。

由圖7、圖8可見，在四分點(diǎn)處普通結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果比較來看，在前兩跨，由于橋梁的寬度變化由11 m變化至28 m，在靠近第二跨3/4L處彎矩變化較大，空間結(jié)構(gòu)較普通結(jié)構(gòu)大162%；在第三跨，橋梁寬度由28 m變化至68 m，在1/4L跨處，內(nèi)力變化最大，空間結(jié)構(gòu)較普通結(jié)構(gòu)彎矩超過400%，而通常連續(xù)梁彎矩設(shè)計(jì)時(shí)，在四分點(diǎn)處的彎矩值較小。也就是說，如果超寬結(jié)構(gòu)按普通結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化特點(diǎn)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)，在這個(gè)位置處的配筋會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其結(jié)構(gòu)本身需要的大小，即使有些結(jié)構(gòu)按照偏安全的系數(shù)來控制也基本上不會(huì)達(dá)到4倍的比例來進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此會(huì)給結(jié)構(gòu)使用帶來很大的安全隱患。

3.2 橫橋向受力分析

由圖9可見，縱橋向最大彎矩作用位置，與常結(jié)構(gòu)最大位置的跨中截面處不同，而是更接近1/4跨徑偏向支點(diǎn)附近的截面（與前述結(jié)論相吻合）；在橫橋向，靠近結(jié)構(gòu)邊緣，靠近邊緣一定范圍處，有突變。以往設(shè)計(jì)中，這個(gè)位置通常不會(huì)出現(xiàn)負(fù)彎矩。由此可見，在做特寬橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不能直接按傳統(tǒng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過兩種模型的受力分析表明，城市特寬橋的設(shè)計(jì)在接近跨中處，其值相差不大，按常規(guī)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，基本滿足規(guī)范要求，是安全的。但是，在靠近四分點(diǎn)處，寬度變化較大時(shí)，彎矩值相差較大，最大值差400%。顯而易見，按常規(guī)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)已不符合實(shí)際情況。因此，在進(jìn)行特寬橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加以注意。

[1]李睿,葉燎原,寧曉駿,等.城市特寬橋問題的提出及研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,27（2）:57-59.

[2]李滿紅,肖清亮.淺談改建公路中加寬橋的合理設(shè)計(jì)[J].東北公路,1994（4）:58-62.