預應力混凝土異形變寬連續梁設計

王超 黃從俊 王佳

(合肥市規劃設計研究院，安徽合肥 230041)

0 引言

隨著中國經濟的發展，城市建設的突飛猛進，一座座高架橋和互通立交拔地而起，而在高架橋和立交的設計中，經常會遇到各種復雜的異形結構。本文以一座已經運營兩年的異形變寬連續梁橋為例，探討此種橋梁的一般設計方法和要點。

1 工程背景

本橋是肥西縣金寨南路跨派河大橋引橋的一部分，位于大橋主線和右轉匝道結合處，設計為24+34+24=82 m等截面預應力混凝土連續梁，橋梁中跨處開始變寬，橋梁結構平面圖如圖1所示。

圖1 橋梁結構平面圖

等寬段采用單箱四室斷面，橋面加寬處為單箱六室，梁高為1.8 m。為了分析該異形結構的受力特點和應力應變特性，采用平面桿系有限元和空間梁格有限元兩種方法，分別建立平面模型和簡化空間模型，計算在規范規定的荷載工況下各腹板及頂底板的內力及撓度，并進行合理配筋，使結構滿足規范規定的正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的各限值。

2 計算方法

2.1 計算參數

本橋采用橋梁博士橋梁專用計算軟件3.11分別計算平面和空間模型，并對結果進行對比。主梁采用C50混凝土，二期恒載按實際計算，橋梁設計安全等級一級，結構重要性系數1.1，活載為公路Ⅰ級，支座沉降、非線性溫度、升溫降溫變化、收縮徐變等參數數值均采用規范規定值。

2.2 平面桿系計算

選取第一跨跨中截面、2號支點截面、第二跨跨中截面、3號支點截面、第三跨跨中截面5個特征截面計算結果比較。正常使用狀態短期組合2(拉應力)和標準組合3的應力(壓應力)結果計算見表1。

表1 特征截面應力計算表(一) MPa

承載能力極限狀態組合特征截面的彎矩計算結果如表2所示。

表2 特征截面彎矩計算表(一) kN·m

結構自重作用下的支點反力計算結果如表3所示。

表3 自重作用下支點反力(一) kN

2.3 空間梁格計算

空間梁格法即最早由Sawko提出的剪力柔性梁格法，其基本原理為:上部結構靂一個等效梁格模擬，將分散在箱梁每一段內的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內，實際結構的縱向剛度集中于縱向梁格，橫向剛度則集中于橫向梁格內，當結構原型和等效網格承受相同荷載，它們的撓曲變形相等，并且在任一網格內的彎矩、剪力和扭矩等于它們所代表的那一部分結構的內力。由于理論結構與實際結構存在差異，因此本方法為近似計算，滿足工程精度要求即可。

劃分梁格單元。

斷面劃分按照劃分后截面與劃分前截面的中性軸基本一致的原則進行劃分，將原閉合箱形截面劃分為等效工字形截面，斷面劃分如圖2所示。

圖2 斷面劃分示意圖

每個等效工字形截面為縱梁截面，縱梁的橫向連接在一般部位考慮原箱形截面的頂底板作用，并保證橫向單元的中性軸與原截面一致，在有橫梁和橫隔板部位，橫向單元截面為該處的橫梁截面或橫隔板截面。

全橋空間單元模型建立如圖3所示。

圖3 空間梁格模型圖

正常使用狀態短期組合2(拉應力)結果計算見表4。

表4 特征截面應力計算表(二) MPa

承載能力極限狀態組合特征截面的彎矩計算結果見表5。

表5 特征截面彎矩計算表(二) kN·m

結構自重作用下的支點反力計算結果見表6。

表6 自重作用下支點反力(二) kN

3 結果比較

正常使用狀態短期組合2的平面桿系模型計算和空間梁格模型計算結果見表7。

平面桿系計算和空間梁格自重作用下撓度計算結果見表8。

由表8可見，平面桿系單元的計算與空間梁格單元計算的整體荷載效應類似，但在特征點的幅值上有差異，平面桿系計算不能反映偏載作用下各個腹板的內力變化;平面桿系計算的支座反力不能反映同一橋墩處不同支點的反力差異，在選擇支座型號時，僅以平面桿系反力計算值除以支點數的平均值作為選取支座型號的依據是不安全的;在橋梁加寬處，腹板預應力鋼束需單獨設置，而這一點只能通過梁格法的計算才能完成，平面桿系計算無法滿足設計要求;從空間計算結果看，每個腹板之間內力分布也有一定差異，靠近加寬處的腹板內力和支座反力均較大，這是導致單側加寬橋面結構產生扭矩的原因。在加寬處，通過增加腹板即縱梁F，能相應減小應力峰值，改善受力。

表7 短期組合2比較表 MPa

表8 撓度比較表 cm

4 結語

通過上述兩種方法計算比較可得，對于這種結構不規則的異形變寬箱梁，設計時僅采用多種方法分析結構在恒載及可變荷載作用下的受力特性是有必要的。由于各腹板的受力不同，因此各腹板的預應力設置要保證各腹板的受力均要滿足規范要求。平面桿系計算雖不能完全反映該類型結構的空間上的受力特性，但為設計配置預應力鋼束提供初步的依據，在設計時，可先依據平面桿系的結果進行配筋，然后建立空間梁格模型驗算，并調整相應預應力鋼束配置。而上述兩種方法也均存在缺點，即都不能準確考慮箱梁的剪力滯、扭轉、畸變等效應，在設計中往往通過對規范荷載乘以一定安全系數來保證結構安全。除計算外，設計中也應注意其他問題，如由于結構的不對稱性導致預應力設計的不對稱，在施工過程中應注意保證結構的穩定性，可以考慮通過多次分批張拉預應力鋼束解決該問題，還有支座應選取有一定抗扭能力的盆式橡膠支座，不建議使用板式橡膠支座。

本橋通車已四年時間，運營情況良好。因此，在遇到該類結構時，靈活運用平面桿系法和空間梁格法能為設計者節約大量時間并滿足工程設計需要。

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