陜西鳳縣廊橋橋梁結構設計

李旭升，張雨杰，牟三山，劉彬斌

（成都市市政工程設計研究院，四川 成都 610000）

陜西鳳縣廊橋橋梁結構設計

李旭升，張雨杰，牟三山，劉彬斌

（成都市市政工程設計研究院，四川 成都 610000）

陜西鳳縣廊橋作為融景觀性、商業性為一體的廊橋，具有上部建筑集中荷載大、荷載集度高、景觀性好的特點。現采用Midas Civil軟件，應用梁格法對橋梁上部結構進行分析。計算表明：針對較大的荷載，采用非標準跨度（30 m+25 m+25 m+30 m=110 m）組合，非標準梁高（支點梁高2.8 m），橋梁上部結構的正常使用極限狀態和承載能力極限狀態各項驗算指標均滿足規范要求。該廊橋建成后良好的運行狀況可以證明梁格法能很好地應用于復雜箱梁結構的分析之中。

廊橋；梁格法；結構分析

0 引言

隨著國民經濟的發展，橋梁作為城市的重要基礎設置，不僅僅要滿足車輛及人群的通行需求，而且還要作為各類建筑的載體活躍在城市當中（如成都安順廊橋，雅安廊橋）。在該類橋梁中，橋梁上部建筑多為2～3層，柱間距多為3 m～5 m。其單柱荷載可達到1 092 kN，同時荷載較為密集。因此，該類橋梁與普通車行橋有很大不同。現以陜西鳳縣鳳凰湖廊橋為例，著重介紹在設計中對橋梁結構方面的思考。

1 工程概況

陜西鳳縣廊橋位于陜西省鳳縣天水路，橋梁跨越嘉陵江，河道寬度為107 m。橋梁上部為3層漢唐式仿古建筑，仿古建筑長度為96 m，寬度為17 m，建筑柱網縱向間距均為4.0 m，橫向間距根據建筑功能確定。由于受到嘉陵江洪水位及周邊地形的限制，橋梁采用4跨變截面連續梁橋，其跨度組合為30 m+25 m+25 m+30 m=110 m。其立面圖、側面圖，見圖1、圖2所示。

圖1 廊橋立面圖

圖2 廊橋側面圖

根據建筑專業提供的資料，橋梁上部建筑共有134根柱，柱網縱橫向間距均為4.0 m。通過計算，廊橋上部結構荷載主要為結構本身產生的恒載。

最大荷載位于建筑中部:N=1 092 kN，M=0.8 kN·m，V=0.4 kN；

最小荷載位于建筑外緣:N=174 kN，M=4.6 kN·m，V=0.9 kN。

2 計算分析

2.1 初步分析

該橋由于受到河道及周邊地形的限制，拱橋作為最優的橋型已被否定。同時，該橋的荷載與普通車行橋相比有很大不同。因此，根據以往的工作經驗，對該橋結構有以下思考。

（1）由于荷載較大且分布較密，在進行橋梁精確計算分析前，根據結構本身的特點初步擬定梁高與跨徑布置。

（2）從橋梁結構角度考慮，橋梁宜采用整體性好的現澆連續箱梁。根據柱網的橫向分布來布置腹板，根據底層隔墻的縱、橫向分布設置腹板間橫隔板，最終該橋成為一個“強腹板”和“強聯系”的“筏形基礎”。

綜上，由于建筑荷載主要集中于中跨，因此采用橋梁布跨為30 m+25 m+25 m+30 m，該橋支點位置梁高2.7 m，跨中梁高1.6 m，橫隔板根據隔墻位置設置，橫隔板寬度為0.6 m（見圖3、圖4）。

圖3 上部結構荷載示意圖（F、M為上部樓層荷載示意）

圖4 1/2梁體布置圖

2.2 梁格法的應用

梁格法是分析橋梁上部結構比較實用有效的空間分析方法。它不僅適用于板式、梁板式及箱梁截面的上部結構，而且對分析彎、斜梁橋特別有效。梁格法的基本原理是以一個等效的縱向及橫向梁格來模擬橋梁的上部結構。將分布在空間板（梁）每一區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構件內，而橫向剛度則集中于橫向梁格構件內[1]。當實際結構和對應的結構模型承受相同彎矩時，兩者的撓曲將是相等的。分析此平面梁格或空間構架就可得到實際橋梁上部結構縱橫向內力和變形。

在該廊橋的分析中，梁格法應用的核心在于梁格單元的劃分和梁格截面特性的擬定。

在梁格單元劃分中，分為縱向梁格劃分和橫向梁格劃分。在此例中，遵循梁格縱向劃分基本原則：即保證劃分后各工字型截面與整體截面主軸保持一致，以腹板為單位進行劃分，從而獲得較為精準的腹板受力特征。由于廊橋上部隔墻結構較多，該橋設置了較多的橫隔板。橫向梁格根據橫隔板位置而設定，并保證與之重心重合。并且，依據箱梁理論，橫隔板設置的目的是阻止橫截面變形，限制橫截面形狀變形和扭轉共同引起的橫向彎曲畸變應力和縱向正應力，在一般分析中，假定橫隔板在固有平面內是剛性的。在此例中，橫隔板及支座實體截面處剛性橫梁剛度擬定為比縱梁剛度大一個數量級，以保證有效地約束縱梁。圖5為廊橋縱梁劃分圖。

圖5 廊橋縱梁劃分圖

在梁格法中，荷載效應的分配是以加載位置及單元間的相對剛度為依據的，而剛度取決于構件的截面特性。故梁格單元的截面特性計算是保證計算精度的關鍵。在此分析中，根據E.C.漢勃利的梁格法理論[2]，按照以下方式來確定出構件截面性質：

（1）縱向單元面積等于對應工字梁面積。

（2）抗彎剛度：單元的抗彎慣性矩為其對應工字梁的抗彎慣性矩，計算工字梁抗彎慣性矩即可得到抗彎剛度。

（3）抗扭剛度：單元的抗扭剛度主要由構件的頂板和底板提供。通過確定出頂、底板的扭轉慣性矩可得到抗扭剛度。

（4）抗剪剛度：通過確定單元對應工字梁的腹板橫截面面積，可得出抗剪剛度。

2.3 計算模型

該橋為預應力鋼筋混凝土變截面連續箱梁，跨徑為30 m+25 m+25 m+30 m，橋面寬度為17.6 m，箱梁為單箱雙室截面。端橫梁寬度為1.5 m，中橫梁寬度為2.5 m。

該橋將箱梁結構按縱向離散為5道縱向梁格，2-4號縱梁模擬箱梁腹板，1號、5號梁格表示虛擬邊梁，主要為了模擬位于懸臂范圍內的荷載。箱梁橫向聯系中橫隔板采用梁單元模擬，頂板及底板采用虛梁進行模擬。圖6為橋梁Midas/Civi模型。

圖6 橋梁Midas/Civil模型

2.4 計算結果

持久狀況正常使用極限狀態計算和持久狀況承載能力極限狀態計算如下。

2.4.1 持久狀況正常使用極限狀態正截面抗裂驗算

正截面抗裂驗算:

按A類預應力構件計算，得到在短期效應組合下，結構正截面上緣、下緣混凝土的應力包絡圖分別如圖7、圖8所示。圖中應力單位以MPa計，正值代表拉應力，負值代表壓應力。表1為正截面抗裂驗算表。

圖7 短期效應組合正截面上緣混凝土正應力包絡圖

圖8 短期效應組合正截面下緣混凝土正應力包絡圖

表1 正截面抗裂驗算表

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）中第 6.3.1 條[3]，正截面抗裂應對構件正截面混凝土的拉應力進行驗算，并應該符合下列規定：

對于A類預應力混凝土構件，在作用短期效應組合下，混凝土拉應力應該滿足：

由表1可見，在作用短期效應組合下，混凝土截面下緣出現最大拉應力為1.77 MPa，滿足規范要求。

2.4.2 持久狀況正常使用極限狀態結構的應力驗算

正截面混凝土的法向壓應力驗算:

按A類預應力構件計算，得到在標準效應組合下，持久狀況正截面混凝土上下緣的法向壓應力包絡圖如圖9、圖10所示。圖中應力單位以MPa計，負值代表壓應力，正值代表拉應力。表2為正載面混凝土的法向壓應力驗算表。

圖9 標準效應組合下，持久狀況正截面上緣混凝土法向壓應力包絡圖

圖10 標準效應組合下，持久狀況正截面下緣混凝土法向壓應力包絡圖

表2 正截面混凝土的法向壓應力驗算表

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）中第 7.1.5 條[3]，使用階段預應力混凝土受彎構件正截面混凝土的壓應力應該符合下列規定：

對于未開裂構件，受壓區混凝土的最大壓應力應滿足：

由表2可知，正截面混凝土最大壓應力為10.10 MPa，小于規范規定的16.2 MPa，滿足規范的要求。

2.4.3 持久狀況承載能力極限狀態計算

按A類預應力構件計算，得到在基本組合下，結構最不利彎矩及截面承載力包絡圖如圖11所示，圖中內力單位以kN或kN·m計。

圖11 橋梁結構最不利彎矩包絡圖

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）中第 5.1.5 條[3]，構件的承載能力極限狀態，應采用下列表達式：

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D 60-2015）中第1.0.5條[4]，該橋設計安全等級按重要大橋取為一級，計算時安全系數采用1.1。表3為正截面混凝土的法向壓應力驗算表。

表3 正截面混凝土的法向壓應力驗算表

如上所述，各截面抗力均大于最不利內力，截面設計滿足要求。

3 結語

廊橋往往承受位置固定且數值較大的建筑荷載。本文以陜西鳳縣廊橋為例，介紹了上部為多層建筑結構的橋梁的設計技巧和計算分析思路；并應用梁格法對廊橋進行有限元分析，按照相關規范，對橋梁上部結構進行了正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的驗算。本文的論證方法和論證結果可為類似橋梁工程提供參考。

[1]邵旭東，等.橋梁設計與計算(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2012.

[2]E.C.漢勃利.橋梁上部構造性能[M].北京:人民交通出版社,1982.

[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].

[4]JTG D60-2015,公路橋涵設計通用規范[S].

U442.5

B

1009-7716（2017）10-0058-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.017

2017-06-28

李旭升（1984-），男，山東人，工程師，從事橋梁工程設計工作。