PC連續梁匝道橋異形橫梁的結構受力分析

張海龍

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

匝道橋梁是城市立交的重要組成部分。由于其特殊的結構形式，匝道橋上部結構的靜、動力特性與傳統直梁橋不同[1-3]。橫梁是匝道橋的重要傳力構件。通常情況下，主梁將所有荷載通過剪力的形式傳遞給橫梁，橫梁將所受荷載傳遞給支座。但是當建設環境受限時，某些情況下匝道橋必須設置異形橫梁。異形橫梁的支座不再位于主梁底部，而是位于距主梁的兩側一段距離，橫梁承受彎曲-剪切耦合效應明顯，主梁與橫梁結合處應力集中問題突出，橫梁剛度與主梁動力特性存在耦合效益。由此可見，異形橫梁的受力方式較普通橫梁有較大差異。因此，有必要采用精細化的實體模型進行異形橫梁的靜、動力分析，從而為該種結構的設計提供依據。

1 工程概況

合肥市某工程B匝道橋第二聯，見圖1，平面位于圓曲線上，圓曲線半徑R=170m。上部結構為P C連續箱梁，共3跨，為3×30m。橋面布置為：0.5m（護欄）+7.5m（車行道）+0.5m（護欄）=8.5m，橋面橫坡為2%的單向橫坡，主梁和橫梁混凝土采用C50。橋墩為圓形橋墩，受到橋下道路位置影響，B04橋墩處采用異形橫梁。

圖1 匝道橋平面（單位：cm）

2 模型建立

采用ABAQUS對主橋上部結構進行空間有限元分析。預應力混凝土箱梁采用117 284個C3D4實體單元模擬，預應力鋼束用2 888個T2D2單元模擬，采用節點耦合法模擬預應力鋼束與混凝土箱梁的相互作用。使用“降溫法”賦予預應力束的初應變來模擬預應力效應[4]。幾何模型及有限元模型見圖2。

圖2 具有異形橫梁的實橋分析模型

3 有限元分析結果

3.1 橫梁應力分析

車道荷載的集中力作用于橫梁，均布荷載作用于橫梁兩側的跨徑，并綜合考慮支座沉降、溫度、混凝土收縮的最不利組合作用。橫梁應力分析結果見圖3。圖3（a）為橫梁結合部正應力分布云圖。其中橫梁的最不利截面上全截面受壓，最大壓應力為8.78MPa，最小壓應力為2.19MPa，不發生正截面開裂。圖3（b）為橫梁結合部主拉應力分布云圖。其中最大主拉應力為1.28MPa，位于橫梁與主梁的交界面附近，略高于規范值。此處為主梁傳遞給橫梁的剪力產生的效果，建議加強橫梁與主梁結合部的箍筋配置。圖3（c）為橫梁主壓應力分布云圖。其中最大值為12.7MPa，位于主梁翼緣板邊緣與橫梁交界處，此處為應力集中區域。設計中建議增設倒角緩解應力集中。

圖3 橫梁應力分析（單位：Pa）

3.2 主梁應力分析

主梁應力分析采用的荷載效應與橫梁應力分析相同。圖4（a）為主梁結合段的正應力云圖。計算分析表明，在與橫梁結合段的主梁全截面受壓，其負彎矩區域的截面未消壓，其最小壓應力數值為0.20MPa，混凝土不會開裂。圖4（b）為主梁結合段主拉應力云圖，最大拉應力為1.23MPa，略高于規范限值，建議增加配筋。圖4（c）為主梁結合段主壓應力云圖，最大主壓應力為12.6MPa，符合規范要求。圖4（d）為結合段預應力鋼絞線應力。預應力鋼筋的最大拉應力為1 013MPa，滿足規范要求。

3.3 動力性能分析

圖4 主梁應力分析（單位：Pa）

圖5 宿松路橋上部結構的動力性能

從圖5可知，異形橫梁對主梁的二階和四階振型產生影響較大。異形橫梁在一階振型只產生整體扭轉，不產生彎曲，這與普通橫梁的變形方式相同，可以認為異形橫梁對一階振型不產生影響，而影響橋梁動力性能的主要是一階振型，所以說，異形橫梁對橋梁的動力性能不產生影響。計算結果表明，該橋的豎向振動基頻為5.45 H z。沖擊系數為：滋＝0.1767 l n5.45-0.0157=0.283。

4 結語

（1）采用異形橫梁的預應力混凝土箱梁橋各項驗算基本滿足規范要求。

（2）建議在主梁翼緣與橫梁之間設置倒角，以削弱應力集中現象。

（3）異形橫梁不影響主梁的一階振型，但對主梁的二階和四階振型產生影響，異形橫梁對沖擊系數值不構成影響。