現澆寬箱梁-異形橫梁橋設計研究

■韓麗麗 楊俊峰

(1.河南省交通科學技術研究院有限公司，鄭州 450000;2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450000)

現澆寬箱梁-異形橫梁橋設計研究

■韓麗麗1楊俊峰2

(1.河南省交通科學技術研究院有限公司，鄭州 450000;2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450000)

公路現澆寬箱梁橋的設計需要考慮箱梁畸變-翹曲效應，采用建立柔性梁格法可有效彌補這一短板。整體箱梁不等跨腹板在結構受力上差別較大，可以采用分腹板配束方式。大跨徑預應力橫梁的變形和耐久性設計可以通過合理的配束以及結構形式得到解決。

寬箱梁 異形橫梁 柔性梁格法 耐久性設計

1 引言

寬箱梁在公路橋梁和市政橋梁上的應用越來越廣泛，傳統的桿系計算理論只考慮了箱梁的縱向擾曲和自由扭轉，而寬箱梁的畸變翹曲效應的忽視給設計帶來了較大的不安全因素，因此，考慮箱梁畸變翹曲的梁格分析理論在寬箱梁橋的設計中越來越受重視。公路設計中，跨河、跨路小交角橋梁已經非常普遍，這類橋梁上部結構一般采用整體現澆的箱梁橋，而被交叉道路或者河流的情況多變，下部結構常常需要做成特殊的布置，這使得橋梁整體的受力更加復雜。因此，專門研究這一類橋梁的設計計算有著重要的意義。

2 箱梁的畸變理論

箱梁截面在反對稱荷載的作用下，由于箱型界面的幾何可變特性，除了引起箱梁的剛性扭轉效應外，還能產生以橫向彎曲為主的截面畸變，這種橫向彎曲會引起箱梁在縱向的附加正應力和剪應力，稱為箱梁截面的翹曲正應力和翹曲剪應力[1]。

關于箱梁截面的畸變應力計算，國內外做了大量的研究，其中，基于彈性地基梁比擬法(BEF Method)[2]應用較為廣泛。該理論是根據在畸變荷載作用下，箱梁的變形能量守恒推導得到的一個彈性地基梁擾曲微分方程。箱梁畸變微分方程為：

式中，

EIR——箱形梁橫向框架剛度；

EI——截面畸變翹曲剛度。

受豎直荷載作用的彈性地基梁的擾曲微分方程為：

根據彈性地基梁彎曲和箱形梁畸變的相似關系可以求解箱形梁的畸變微分方程。關于箱梁畸變微分方程的求解，可以采用彈性地基梁的求解方法如除參數法。若λL≥4時，跨中區域相似于兩邊為無限長的地基梁，兩端部相似于一邊為無限長的彈性地基梁；λL＜4時，則按有限長的彈性地基梁求解。求解得到畸變角度后，可求得畸變翹曲應力。

實際設計中常常采用梁格有限元分析模型對箱梁畸變翹曲進行數值模擬，這樣避免了求解復雜微分方程帶來的麻煩，提供了設計效率。

3 工程概況

官渡黃河橋工程是河南省干線公路規劃中的國道107改線跨越黃河的重大工程，官渡黃河橋的建設對加快以鄭州為核心地區的中原經濟區建設進程，促進河南省乃至全國經濟發展都將產生積極深遠的影響。西干渠中橋為官渡黃河橋接線跨越西干渠的結構物，跨徑布置為25m+40m+33m，其平面圖和斷面圖如下圖1～3所示。

西干渠中橋箱梁頂板寬17.24m，底板寬13.24m，懸臂長2m，按照等截面單箱三室設計。兩側箱室寬度為3.408m，中間箱室寬度為 3.543m，梁高 2.2m，橋面設置2.0%的橫坡。箱梁頂板厚度為25cm，底板厚度為22cm，跨中腹板厚度為45cm，支點腹板厚度為75cm。西干渠中橋為預應力混凝土橋，異形橫梁設置預應力。

圖1 西干渠中橋平面圖

圖2 西干渠中橋支點斷面圖

圖3 西干渠中橋跨中斷面圖

4 縱向配束研究

西干渠中橋為異形現澆箱梁橋，橋寬為17.24m，橋梁寬跨比分別為0.69、0.43、0.52，而且橫梁特殊布置需要考慮箱梁截面的畸變翹曲，因此，建立以剪力柔性梁格理論[3]為基礎的梁格分析模型更為準確。西干渠中橋沿路線中心線的跨徑布置為25m+40m+33m，而沿腹板1～腹板4中心線 (如下圖4)的跨徑布置分別為25m+34.53m+38.47m、25m+36.08m+36.92m、25m+37.63m+35.37m、25m+39.19m+33.81m，每個腹板的豎向變形相差較大，若按統一跨徑布置鋼束，不能有效的發揮鋼束的效應，因此，基于各個腹板跨徑的鋼束布置更為有效。縱向鋼束采用標準強度為1860MPa的高強低松弛鋼絞線，鋼束張拉控制力為 1339MPa，鋼束規格為 15 15.2、12 15.2。

圖4 腹板布置圖

利用橋梁專用有限元分析軟件MIDAS建立基于剪力柔性梁格理論的梁格分析模型，如下圖5、圖6所示。

圖5 西干渠中橋梁格模型消隱圖

圖6 西干渠中橋梁格模型離散圖

基于各個腹板跨徑的縱向配束正常使用階段頻遇組合[4～5]計算結果如表1所示。可以看出，這種配束方式有效的發揮了鋼束的效應，符合結構受力規律。

表1 正常使用階段頻遇組合正截面應力分析結果

5 預應力橫梁配束設計

左幅2號橋墩和右幅1號橋墩處橫梁為預應力橫梁，橫梁為 2.5m(寬)×2.2m(高)矩形，斜 20°，橫梁總長21.847m，立柱間距19m，預應力橫梁立面、平面、斷面圖如下圖7～9所示。

橫梁鋼束采用標準強度為1860MPa的高強低松弛鋼絞線，鋼束張拉控制力為1339MPa，鋼束規格為25 15.2。根據全橋建立柔性梁格模型計算結果，建立預應力橫梁的橫梁分析模型。

分析結果如下：預應力鋼束最大應力為1157.53MPa，小于規范要求1209MPa；正常使用階段頻遇組合最大拉應力為0.3907MPa，小于規范要求1.855MPa；正常使用階段準永久組合最小壓應力為1.1785MPa，全截面受壓；正常使用階段標準組合正截面最大壓應力為12.2319MPa，小于規范要求16.2MPa；正常使用階段標準組合斜截面最大主壓應力為12.6121MPa，小于規范要求19.44MPa；正截面抗彎和抗剪承載力均滿足規范要求值。綜上，分析結果均滿足 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》相關規定。

可以看出，西干渠中橋預應力橫梁的鋼束采用了不對稱、交錯的布置形式，這種配束方法使得橫梁各個截面應力分布較為均勻，鋼束效應明顯，結構受力更為明確。

6 預應力橫梁墩梁連接研究

圖7 預應力橫梁立面圖

圖8 預應力橫梁平面圖

圖9 預應力橫梁斷面圖

預應力橫梁與橋墩的連接方式直接影響到預應力橫梁的內力分配和后期徐變造成的變形，因此，選擇合理的橫梁墩梁連接形式是西干渠中橋長期耐久性設計的關鍵。西干渠中橋預應力橫梁墩梁連接形式可采用支座連接的柱式墩(工況一)和墩梁固結的框架墩(工況二)，其結構簡化圖如圖10。基于工況一和工況二建立全橋的建立柔性梁格模型。

圖10 預應力橫梁墩梁連接圖

通過模型計算，分別提取兩種工況下主梁收縮徐變前后的最大位移，如下表2所示。

表2 不同墩梁連接的位移比較

由表2可以看出，墩梁固結形式的主梁成橋位移是柱式墩的兩倍，柱式墩的10年收縮徐變位移為0.793mm，墩梁固結10年收縮徐變位移為2.9mm。因此，西干渠中橋預應力橫梁宜采用柱式墩的形式。

7 結語

本文以官渡黃河橋西干渠中橋為背景，重點研究了現澆寬箱梁-異形橫梁橋的設計，通過研究得到了以下結論：

(1)斜交橫梁引起的主梁腹板支撐跨徑不同，采用各個腹板跨徑的配束形式不僅節約了鋼束的用量，而且更能有效的發揮鋼束效應，使橋梁結構受力更加合理；

(2)寬箱梁-異形橫梁橋采用剪力柔性梁格分析的方法，可以較為準確的描述箱梁的畸變-翹曲響應，使結構設計更為合理和安全；

(3)大跨徑預應力橫梁的設計需根據橫梁的荷載分布形式，根據橫梁的內力分布，有針對性的進行配束研究，必要時可采用不對稱或者交錯配束的形式；

(4)寬箱梁-異形橫梁橋在較大跨徑橫梁的支撐下，預應力橫梁宜采用柱式墩支座連接的形式，從而有效控制由于徐變帶來的主梁長期下擾問題。

[1]郭金瓊，房貞政，鄭振.箱形梁設計理論[M].北京：人民交通出版社，1989：80-118.

[2]胡肇滋.單室箱梁橋畸變的兩種彈性地基梁法的研究[J].東北林業大學學報，1987(1)：80-88.

[3]虞謹菲.剪力柔性梁格法在異形箱梁橋分析中的應用[D].長安大學2009.

[4]中華人民共和國交通運輸部.JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.06.

[5]中華人民共和國交通運輸部.JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2015.10.