現澆整體式斜交板梁橋的設計注意事項分析

歐定福，鄧喜昌

(1.江蘇省交通技師學院，廣西　南寧　212006；2.廣西路橋工程集團有限公司，廣西　南寧　530001)

現澆整體式斜交板梁橋的設計注意事項分析

歐定福1，鄧喜昌2

(1.江蘇省交通技師學院，廣西南寧212006；2.廣西路橋工程集團有限公司，廣西南寧530001)

歐定福(1982—)，男，工程師，主要從事工程設計施工管理工作。

摘要：文章以實際工程為研究背景，用MIDAS有限元軟件對整體式斜交板進行建模分析，并依據計算分析結果，從斜交板的受力特征對支座布置的影響、加載不同的支座約束模擬邊界條件對支反力計算結果產生的不同影響、斜交板的配筋注意事項和斜交板的受力特點對橋梁下部墩臺結構布置產生的影響四個方面，提出了斜交板橋梁設計工作中應注意的相關事項。

關鍵詞：橋梁；斜交板；MIDAS板單元；受力特性；設計；注意事項

0引言

為了適應改善道路線形，或者當線路受到相交道路、建筑物、地下管線及其他障礙物的限制時，往往需要修建斜交橋。在某些情況下建造斜橋，不僅能使整個路線美觀流暢，而且能縮短橋梁長度，節省投資和材料，提高經濟效益，因此建造斜橋結構已廣泛存在于高、低等級公路、城市道路和立交樞紐中[1]。

為了簡化計算，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)規定：當整體式斜板橋的斜交角不大于15°時，可按正交板計算，計算跨徑為：當l/b≦1.3時，按兩支承軸線間垂直距離的正跨徑計算；當l/b>1.3時，按順橋向縱軸線的斜跨徑計算[3]。而在大角度的斜交板梁橋的實際設計工作中，橋梁設計人員為了計算的簡便性和縮短橋梁設計周期，常常忽略斜交角度對斜交板梁橋的影響而采用同等跨徑的正交板進行模擬計算分析。而斜交板梁橋的受力特點和正交橋有很大的差異性。正交板梁橋的荷載傳遞路徑與板的縱向跨徑相一致，而斜交板梁橋隨著板的斜交角度、寬跨比的增大，荷載有往斜交板鈍角角隅處集中的趨勢。基于斜交板獨特的受力性能，斜交板的配筋、支座布置和選取以及其作用荷載對橋梁下部墩臺布置的影響等方面是完全不同于正交板梁橋的。

橋梁設計人員只有對斜交板梁橋的受力方式有了清晰的認識和了解后，才能依據斜交板梁的受力特點進行設計。本文提出了在斜交板梁橋的設計工作中應注意的事項，以期對橋梁設計人員在斜交板梁橋的設計工作中有一個借鑒作用。

1工程概況

本橋上部結構為1x13 m(橋梁路線中心跨徑)現澆整體式鋼筋混凝土斜交簡支板，橋梁路線平面分別位于圓曲線(R=80 m，左偏)、緩和曲線和圓曲線(R=120 m，右偏)上。本橋現澆板小樁號側支撐邊長為11.65 m(垂直距離)、大樁號側支撐邊長為10.25 m(垂直距離)，現澆板厚度為0.80 m；下部結構墩臺平行布置。本橋設計為雙向兩車道，設計安全等級為Ⅰ級，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。

本橋現澆板平面布置如圖1所示：

圖1　現澆板平面布置圖(單位：cm)

2現澆整體式斜交板的設計計算分析

本橋現澆斜交板路線中心跨徑為13 m、中心寬度為11 m，板的寬跨比接近1∶1，現澆板厚度為80 cm，所以本現澆斜交板符合板的結構力學性能；同時本橋現澆斜交板的斜交角度較大(平均斜交角度為50°)、結構尺寸不規則，用常見的梁單元建模計算分析難以模擬結構的實際受力情況，而板單元能夠很好地解決以上問題。基于以上原因，本橋現澆斜交板利用通用有限元軟件Midas-Civil的板單元進行建模設計計算分析。由Midas-Civil建立的本橋板單元計算模型單元總數為350個，節點數為390個，具體模型如下圖2所示。

圖2　板單元計算模型圖

2.1　斜交板的受力特征對支座布置的影響

板單元的荷載一般具有向支承邊的最短距離傳遞分配的特點。對于正向板而言，荷載縱向傳遞的路徑和板的跨徑相一致；而對于斜交板來說，隨著斜交角度、寬跨比的逐漸增大，主彎矩朝支承邊的垂直方向逐漸偏轉。當斜交板的寬跨比較大時，板中央的主彎矩幾乎垂直于支承邊；同時板的縱向最大彎矩位置，隨著斜交角的增大而從跨中向鈍角部位轉移，所以對于斜交角、寬跨比較大的斜交板而言，板的支承反力分布很不均勻，鈍角角隅處的反力會比正交板大幾倍，而銳角角隅處的反力較小，甚至會出現拉力[1](如表1、表2所示)。

基于以上情況可知，斜交板的支座布置和正交板有很大的差異性。對于正向板而言，應適當多布置一些支座，支座個數越多，不僅每個支座分得的反力較小，而且也能改變現澆板的受力性能。但對于斜交板而言，支座的個數越多，反力缺集中于鈍角角隅處[2]。為此，斜交角度較大的斜交板布置的支座不宜過多，支座間距也宜采用不等距布置，鈍角角隅處的支座宜靠近板外側邊緣布置，銳角角隅處的支座宜靠近內側布置。

表1　自重作用下小樁號側板支反力數值表

表2　自重作用下大樁號側板支反力數值表

2.2　支座邊界模擬約束條件對支反力的影響

用MIDAS對斜交板模擬計算分析的過程中，支座邊界約束條件不同的加載方式，對支反力的計算結果會產生很大的影響(如表3、表4所示)。在MIDAS分析計算模型中采用橋梁設計人員常用的一般支承條件下的邊界約束條件時，支反力的計算結果比實際偏大，當依據此計算結果選取支座時，會和實際情況產生一定的偏差，使得現澆板鈍角角隅處的支反力更大，對板的受力狀況產生更加不利的影響。按照支座的實際約束剛度把現澆板的支承邊界約束條件加載到MIDAS計算分析模型中，此種方法是對斜交板支座邊界約束條件的正確模擬方法，采用該種方法計算的斜交板支反力與實際情況比較吻合。對整體斜交板梁橋應優先選用厚度較大的板式橡膠支座，通過支座的豎向彈性剛度來使各支座反力分配的更加均勻一些[1]。

表3　荷載工況11下支反力計算數值表

表4　荷載工況12下支反力計算數值表

2.3　斜交板的配筋注意事項

斜交板的最大縱向彎矩隨著斜交角的增大而減小，一般比與斜向跨徑相等的正交板要小，而橫向彎矩則要大很多。在持久狀況承載能力極限狀態下本橋的最大縱向彎矩設計值為395.4 kn/m，最大橫向彎矩設計值為222.3 kn/m，從而可知橫向彎矩設計值為縱向彎矩設計值的56.2%(本橋的縱、橫向彎矩設計值如下頁圖3、圖4所示)。可見，斜交板的配筋除了要滿足板的縱向彎矩的要求之外，在板的橫向部位也要配置足夠的受力主筋，同時為了改善板的整體受力性能，應盡量把板的縱向和橫向受力主筋配置成鋼筋骨架。斜交板除了縱橫向的主彎矩之外，在鈍角角隅處還會產生相當大的垂直于鈍角平分線的負彎矩，其值隨著斜交角的增大而增大[1]。所以在斜交板鈍角角隅處也應配置足夠多抵抗此負彎矩的主筋，斜交板此部位的受力性能明顯不同于正交板，此點應引起橋梁設計人員的注意。

圖3　承載能力極限狀態下板梁縱向彎矩圖

圖4　承載能力極限狀態下板梁橫向彎矩圖

2.4　斜交板的受力特性對橋梁下部結構的影響

斜交板隨著斜交角度的增大，鈍角角隅處的支反力會明顯地增大，銳角角隅處的支反力會明顯地減小，甚至會出現拉力。斜交板的此種受力特性，也會對橋梁的下部墩臺產生明顯的影響。此種影響會使得橋梁墩臺樁基的布置偏向斜交板的鈍角角隅處，使樁基間距的中心線和橋梁墩臺的中心線不一致，本橋的樁基中心線和墩臺中心線相差55 cm(如下圖5所示)。這一點和正交板橋梁有明顯的差異性，此點應引起橋梁相關設計人員的注意。

圖5　0#臺下部構造布置圖

3結論

(1)斜交板鈍角角隅處的支反力隨著斜交板斜交角度、寬跨比的增大而增大，使得斜交板鈍角角隅處的支反力會比正交板的大幾倍，而銳角角隅處甚至會出現拉力。根據斜交板的此種受力特性，斜交板的支座布置和正交板有很大的差異性，斜交板鈍角角隅處的支座應向板的外側布置，銳角角隅處的支座應向板的內側布置，同時支座間距宜采用不等距的布置方式。

(2)在MIDAS斜交板分析計算模型中采用不同的支座約束模擬邊界條件時，對斜交板支反力的計算結果會產生較大的影響。在MIDAS斜交板分析計算模型中對支座的模擬加載應采用支座的實際約束剛度，而不能采用常規正交板梁橋中一般支承條件下的約束邊界條件，否則計算的斜交板鈍角角隅處的支反力會比實際支反力偏大，假如依據此計算結果選取橋梁支座，會使得成橋后斜交板的支反力向鈍角角隅處更大地集中，也使得斜交板的成橋受力狀況更加的不利。

(3)對斜交角、寬跨比較大的斜交板而言，斜交板的橫向彎矩比同等跨徑的正交板大很多，所以在斜交板的橫向跨徑也要配置足夠的主筋。同時在斜交板的鈍角角隅處還會產生相當大的垂直于鈍角平分線的負彎矩，所以在斜交板鈍角角隅部位處也要配置足夠的主筋。

(4)斜交板獨特的受力性能，使得其對橋梁墩臺下部結構的布置也會產生明顯的影響。此種影響會使得斜交板橋梁墩臺樁基的布置偏向斜交板的鈍角角隅處，使得樁基間距的中心線和橋梁墩臺的中心線不一致。

參考文獻

[1]劉效堯，徐岳.梁橋(第二版)[M].人民交通出版社，2011.

[2]武占科.現澆混凝土斜交板梁橋支座布置分析[J].上海公路，2013(3)：37-39.

[3]JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

Design Precaution Analysis of Cast-in-place Integral Inclined Plate Girder Bridges

OU Ding-fu1，DENG Xi-chang2

(1.Jiangsu Traffic Technician College，Nanning，Guangxi，212006；2.Guangxi Road and Bridge Engi-neering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530001)

Abstract：With practical engineering as research background，this article used the MIDAS finite element software for the modeling analysis of integral inclined plate，and based on the results of calculation and analysis，it proposed the related precautions in the design work of inclined plate bridge from four aspects，i.e.the impact of force characteristics of inclined plates on the bearing arrangement.Different im-pact caused by loading the different bearing constraints simulation boundary conditions on the support reactions calculation results，bar-reinforcing precautions of inclined plates，and the impact generated by the mechanical characteristics of inclined plates on the pier structure arrangement at lower part of bridges.

Key Words：Bridge；Inclined plate；MIDAS board unit；Mechanical characteristics；Design；Precautions

收稿日期：2015-02-10

文章編號：1673-4874(2015)02-0045-04

中圖分類號：U445

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.012

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