特寬橋梁的計算探討

馬 琳 ，高建軍 ，趙興中

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市3000457；2.山東華鑒路橋技術有限公司，山東濟南 250101）

0 前言

據統計，到2011年8月底，我國機動車保有量達2.19億輛，其中汽車保有量突破1億輛。按照國際標準，一個國家或者地區每百萬戶汽車保有量達到20萬輛以上時，就認為進入了汽車社會。按照這個標準，北京、天津和浙江省已經提前進入了汽車社會?！端{皮書（2011）》中提到，2010年北京市百萬戶居民私人汽車約為60萬輛，2009年天津百萬戶居民私人汽車就達到25.3萬輛，浙江省2010年全省城鎮每百萬戶居民私人汽車26.43萬輛。為了保證城市交通的快速、安全與暢通,很多城市都在進一步拓寬城市道路,城市特寬橋梁也就應運而生。

據文獻[1]表明:寬度大于40 m的城市橋梁已有很多,有的甚至達到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。其結構形式主要有分離型和并聯整體型。分離型是指為了簡化計算,將一座橋分成相互獨立的幾座相對較窄的橋梁單獨受力進行分析;整體型主要是指不管橋有多寬,設計時按整體結構進行計算,其受力分析較為復雜，結構空間效應顯著。本文著力于典型工程實例，對相關特寬橋梁的受力規律進行研究，從設計的角度對結構進行研究分析，具有較好的理論及工程實用價值。

1 工程實例

該工程全長均為35.12m，寬度在10.80～67.96m之間。上部結構形式為（11.5+11.5+11.7）m的整體現澆式鋼筋混凝土連續實心板，支點根部板厚為0.8 m，跨中板厚為0.6 m；下部結構為柱式墩，挖孔樁基礎。如圖1所示。

2 計算方法

特寬橋的構造尺度的特性決定了其設計計算的特點。對于平面分離體系的寬橋,一般按幾座橋梁單獨受力來進行分析,互不相干。每一部分從基礎到橋面都是相互獨立、互不關聯的。這種體系的結構形式多采用簡支梁,因這種體系設計較簡單,且有很多現成的資料可以引用,故應用較廣泛。對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支或連續搭接,互不獨立,從基礎到橋面為一整體，因為橋面板的縱橫方向尺寸處于同一數量級,因此需要按雙向板來考慮計算受力。另外,由于其寬跨比較大,而荷載的橫向分布與結構的尺寸有關,因此,荷載橫向分布的計算有別于普通橋梁。這種體系克服了平面分離體系的缺點,是以往城市特寬橋設計的主流。隨著有限元軟件的普及和提高，城市特寬橋采用有限元進行實橋分析已經成為一種趨勢。

2.1 實體網格的劃分

在有限元建模分板中，采用什么樣的網格劃分方法是一個很重要的步驟，因為好的網格劃分將直接提高求解的速度和結果的精度。根據本文所研究的變結構，建立的模型采用的是一種比較規整的映射網格劃分的方法，它的劃分規律為：對于平面劃分，只能劃分為四邊形面，所形成的單元都是平面四邊形，而對于實體，只能劃分為規整的六面體，形成的實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進行驗算，建立空間模型，采用四邊形板單元模型，共劃分6 691個節點，6 525個單元。計算模型如圖2所示。

從圖2可以看到，映射網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，這樣的網格劃分能滿足求解的需要。

（2）為進行對比分析，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，兩種結構在縱橋向比較分析結果如圖3~圖6所示。

由圖3~圖6可見，普通結構縱橋向彎矩最大點位置與空間結構彎矩最大點位置在第二跨與第三跨靠近支點處區別較大，主要原因為這兩跨橋寬增加較快，但是最大點彎矩兩數值比相差在5%以內，僅按照普通結構來指導設計基本符合規范要求。

由圖7、圖8可見，在四分點處普通結構與空間結構計算結果比較來看，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，空間結構較普通結構大162%；在第三跨，橋梁寬度由28 m變化至68 m，在1/4L跨處，內力變化最大，空間結構較普通結構彎矩超過400%，而通常連續梁彎矩設計時，在四分點處的彎矩值較小。也就是說，如果超寬結構按普通結構的內力變化特點來指導設計時，在這個位置處的配筋會遠遠少于其結構本身需要的大小，即使有些結構按照偏安全的系數來控制也基本上不會達到4倍的比例來進行設計，因此會給結構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，與常結構最大位置的跨中截面處不同，而是更接近1/4跨徑偏向支點附近的截面（與前述結論相吻合）；在橫橋向，靠近結構邊緣，靠近邊緣一定范圍處，有突變。以往設計中，這個位置通常不會出現負彎矩。由此可見，在做特寬橋結構設計時，不能直接按傳統方式進行設計。

4 結語

通過兩種模型的受力分析表明，城市特寬橋的設計在接近跨中處，其值相差不大，按常規橋梁進行設計時，基本滿足規范要求，是安全的。但是，在靠近四分點處，寬度變化較大時，彎矩值相差較大，最大值差400%。顯而易見，按常規橋梁進行設計已不符合實際情況。因此，在進行特寬橋梁設計時，應加以注意。

[1]李睿,葉燎原,寧曉駿,等.城市特寬橋問題的提出及研究[J].昆明理工大學學報,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計[J].東北公路,1994（4）:58-62.