鄭州京廣路帶有大跨外伸橫梁的普鋼連續梁結構分析

賈聰惠

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

鄭州京廣路帶有大跨外伸橫梁的普鋼連續梁結構分析

賈聰惠

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

以鄭州市京廣路—沙口路快速通道（二期）工程為工程背景，對WN匝道中一聯帶有大跨外伸橫梁的普鋼連續梁進行結構分析，總結了帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續梁結構受力特點，并對其結構設計提出幾點建議。

大跨外伸橫梁；普鋼連續梁；結構分析

0　引　言

城市高架橋設計過程中，由于現存和規劃的建筑、道路、河流駁岸以及各種管線的制約，橋墩位置的調整余地不大，使得橋梁地面布墩受限。此時，可采用門架式橋墩避讓，往往能較好地控制橋梁跨徑，經濟性優良[1]。當門架式橋墩立柱的間距遠大于橋寬時，橋梁上部結構橫梁需外伸，而大跨外伸橫梁的存在將影響整個結構受力，尤其對于跨徑不大的普鋼連續梁較為顯著。

1　工程概況

鄭州市京廣路—沙口路快速通道（二期）工程起點位于北三環與京廣路交叉口，終點至石蘇路，全長4.479 km。該工程共分為9個標段，沿線需跨越1條現狀鐵路（京廣鐵路）、1條現狀河道（賈魯河），1條高速公路（連霍高速），全線共布置8條（4對）平行匝道,2條定向匝道。

主線高架橋標準橋寬25.5 m，采用標準跨為3×30 m的預應力混凝土連續大箱梁，梁高2 m，下部結構采用雙肢H型墩；平行匝道橋標準橋寬8.0 m，采用標準跨為4×30 m/3×30 m的預應力混凝土連續箱梁，梁高2 m，下部結構采用花瓶橋墩；定向匝道橋標準橋寬8.5 m，平面曲線半徑較大時，標準跨為4×30 m/3×30 m左右的預應力混凝土連續箱梁，梁高2.0 m；平面曲線半徑較小時，采用標準跨為3×22 m/4×22 m左右的普鋼混凝土連續箱梁，梁高1.7 m。下部結構采用花瓶橋墩。

圖1為連霍高速立交（9標段）效果圖。

圖1　連霍高速立交（9標段）

9標段EN匝道橋寬8.4 m，設計為兩聯4×21 m的普鋼混凝土連續箱梁。根據地勘報告得知，墩Pen04、Pen05處地下埋有光纜和石油管道，為了避讓地下管線，在這兩處設置門架墩。如圖2所示，按照布墩距管線需一定的安全距離的原則[2]，墩Pen04立柱中心間距確定為12.8 m，立柱采用1.8 m×1.5 m的矩形截面，承臺尺寸為6.5 m×2.5 m；墩Pen05立柱中心間距確定為22.6m，立柱采用1.8 m×1.5 m的矩形截面，承臺尺寸為6.5 m×2.5 m。

圖2　EN匝道平面布置圖（單位：m）

9標段NW匝道橋寬9.7 m，Pnw08～Pnw11聯設計為23 m+23 m+20 m的普鋼混凝土連續箱梁，因其上跨賈河路，為了避開地面道路，在墩Pnw09處設置門架墩。如圖3所示，墩Pnw09立柱中心間距確定為22 m，立柱采用1.8 m×1.5 m的矩形截面，承臺尺寸為6.5 m×2.5 m。

2　有限元分析計算

因墩Pnw09外伸橫梁跨徑22 m，斜交角度32.5°，且主梁位于外伸橫梁較中間的位置，橫梁受力較為不利，故選取NW匝道Pnw08～Pnw11聯進行結構分析計算。

圖3　NW匝道平面布置圖（單位：m）

2.1主梁構造及配筋

Pnw08～Pnw11聯為普鋼混凝土連續箱梁，跨徑布置為23 m+23 m+20 m，橋寬9.7 m，梁高2.0 m，支點負彎矩區上緣有效寬度范圍內配置2×46根32鋼筋，跨中正彎矩區下緣配置2×27根32鋼筋，腹板配4層32的骨架鋼筋。

墩Pnw09橫梁采用預應力結構，初步擬定為寬2.4 m，高2.2 m，其余橫梁均按普鋼橫梁配置鋼筋。

2.2大跨外伸橫梁配束

主梁縱向為普通鋼筋混凝土結構，預應力外伸橫梁的預應力張拉會影響主梁縱向受力[3]，故需要先確定預應力外伸橫梁配束。

采用 MIDAS Civil有限元分析軟件建立Pnw08～Pnw11聯空間計算模型，橫梁Pnw09按照實際結構建模，不計預應力（見圖4），通過計算得到外伸橫梁Pnw09的內力，見表1。

圖4　有限元模型（外伸橫梁不計預應力）

表1　外伸橫梁Pnw09計算內力

外伸橫梁Pnw09按照受彎構件初擬配束，如圖5所示，共配置4層φs15.2-15預應力鋼束，每層6根。

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種以持續氣流受限為特征的疾病，與氣道和肺對有害顆粒和（或）氣體的慢性炎癥反應增強有關。據全球疾病負擔研究（The Global Burden of Disease Study）估計，2020年COPD 將位居全球死亡原因的第 3 位[1]。

圖5　橫梁Pnw09預應力鋼束布置圖（單位：mm）

2.3計算結果

計算模型中計入橫梁Pnw09的預應力配束，進行整體結構分析，以下為計算結果。

（1）縱向主梁

由圖6～圖8可知，承載能力極限狀態組合作用下，主梁跨中最大彎矩為20 243 kN·m，小于38859kN·m（截面抗力），支點最大彎矩-24901kN·m，小于-58 787 kN·m（截面抗力）；斜截面最大剪力為6 166 kN，小于7 223 kN(截面抗力)，承載能力滿足規范要求[4，5]。

圖6　承載能力組合彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖7　承載能力組合剪力包絡圖（單位：kN）

圖8　主梁上、下緣裂縫寬度圖（單位：mm）

短期效應組合（考慮長期效應組合影響）下，混凝土主梁跨中最大裂縫寬度為0.138 mm，支點最大裂縫寬度為0.146 mm，均小于0.2 mm，滿足規范要求[4，5]。

（2）外伸橫梁

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ D62—2004），按A類預應力構件進行控制。

在短期效應組合下，混凝土拉應力應該滿足：σst+σpc≤0.7 fck[5]。

由計算結果可知，外伸橫梁正截面混凝土最大壓應力為14.9 MPa，短期效應組合下未出現拉應力，受力滿足規范要求。

實際設計過程中，外伸橫梁預應力配束的確定其實是一個反復計算的過程[6]。將橫梁初擬配束帶入整體空間模型后，由于縱向主梁和外伸橫梁的相互影響，此時外伸橫梁受力已于獨立的橫梁計算模型不同，橫梁初擬配束可能無法滿足結構受力要求，需根據整體空間模型計算的橫梁內力重新配置預應力鋼束，通過如此反復迭代計算，最終確定橫梁配束使橫梁自身及縱向主梁受力均滿足要求。圖9、圖10分別為短期組合和標準組合上、下緣正應力圖，圖11為承載能力極限狀態強度驗算結果。

圖9　短期組合上、下緣正應力圖（單位：MPa）

圖10　標準組合上、下緣正應力圖（單位：MPa）

圖11　承載能力極限狀態強度驗算結果

3　結構受力特點

（1）該聯混凝土普鋼連續梁上部結構縱、橫向比例接近，在進行主梁縱向計算時已不能忽略大跨外伸橫梁Pnw09的剛度貢獻，同樣，在縱、橫交界區域內的部分縱向主梁也會參與橫梁受力。

（2）根據有限元模型分析計算，在不計橫梁Pnw09預應力的情況下，由于橫梁剛度弱，使得主梁在該處的豎向約束相當于彈性支承，此時主梁成橋狀態發生34 mm（向下）豎向位移，即隨著外伸橫梁下撓縱向主梁也發生變形。這樣就導致縱向主梁在橫梁Pnw09處的支點負彎矩削減，相應增大了相鄰跨跨中正彎矩，從而需要增加縱向主梁的配筋。

外伸橫梁Pnw09配置預應力束后，在預應力作用下橫梁向上反拱，從而加強了主梁在該處的豎向支承，減小了其對外伸橫梁處支點負彎矩的削減。

由此可見，對帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續梁，預應力外伸橫梁的配束對整個結構的受力影響很大，其配束不僅要滿足外伸橫梁自身結構強度要求，又要保證不增大縱向主梁的豎向彎矩。

（3）橫梁Pnw09跨徑22 m，跟主梁縱向跨徑接近，上部整體結構相當于雙向受力體系。當橫梁處的支座在縱橋向因為某些原因不能滑動時，對于橫梁而言，不僅要承受主體箱梁傳遞的豎向荷載，還要承受溫差、收縮徐變引起的縱向荷載。

經計算，當外伸橫梁Pnw09處支座縱向受約束時，考慮整體升溫20℃、整體降溫35℃，橫梁將產生18 300 kN·m的縱向彎矩，因此在橫梁配筋設計時，縱橋向也要設置足夠的抗彎及抗扭鋼筋，如圖12所示，保證外伸橫梁不發生縱向開裂破壞。

圖12　外伸橫梁縱向配筋圖（單位：mm）

4　結語

（1）帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續梁，上部結構縱、橫向比例接近，因此結構計算需要將縱橫向一起考慮，建立空間有限元分析模型。

（2）帶有大跨外伸橫梁的普通鋼筋混凝土連續梁，預應力外伸橫梁的配束對整個結構的受力影響較大。

（3）大跨外伸橫梁跟主梁縱向跨徑接近，上部整體結構相當于雙向受力體系，因此在進行大跨外伸橫梁配筋設計時，縱橋向也要設置足夠的抗彎及抗扭鋼筋，保證其不發生縱向開裂破壞。

[1]繆偉民.大跨度門架墩結構計算分析 [J].中國水運,2010(4): 162-164.

[2]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[3]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，1997.

[4]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

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

[6]傅科奇,葉建龍.現澆連續箱梁大挑臂橫梁設計要點 [J].公路交通技術,2012(1):67-69.

U441

B

1009-7716（2016）04-0092-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.029

2015-12-10

賈聰惠（1986-），女，陜西寶雞人，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。