人行景觀大縱坡PC連續梁力學性能研究

任新建

(長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

隨著國民經濟的發展，城市景觀橋梁除需滿足功能需求外，還需滿足人們對景觀美學的要求。在城市建設中，受兩廂已開發地塊及擬跨越道路凈高需求的影響，常規小縱坡橋梁難以滿足區域標高要求。大縱坡人行景觀預應力砼連續梁的建設投資較小，輔以景觀造型護欄，在滿足景觀要求、保證工程投資經濟性的同時，還能順接兩廂地塊標高。CJJ 11-2011《城市橋梁設計規范》對橋梁縱坡i的要求為0.3%≤i≤8%，JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》要求i不大于4%。城市人行景觀橋只服務于往來人群及部分非機動車，參考GB 50763-2012《無障礙設計規范》，橋梁縱坡不應大于1∶12。在常規PC連續梁上部結構計算中，縱坡小于3.5%時，可按照平直橋梁進行有限元計算，其結果與考慮縱坡情況下計算的上部結構結果差距較小。但縱坡大于3.5%時，在外部荷載作用下，在變坡點位置，上部結構可能表現出拱軸效應，且由于連續梁屬于超靜定結構，在各類效應如預應力、溫度等反復作用下，將影響結構支反力、內力。該文依托某縱坡為8%的人行景觀PC連續梁，基于有限元計算，分析外部荷載作用下大縱坡對PC連續梁結構力學性能的影響。

1 工程概況

某人行景觀PC連續梁位于公園核心廣場，跨越道路連接兩側公園，橋梁滿足跨越道路車行道4.5 m的凈高要求設計。跨徑布置為(20+26+15) m，中間高兩端低，全橋共設置兩段縱坡，均為8%，中跨縱坡交接處設置R=100 m的圓弧曲線。設計橋面寬度為6.3 m，其中包含0.9 m種植槽+0.25 m欄桿+4.0 m通行凈寬+0.25 m欄桿+0.9 m種植槽。橋梁橫向設置2%橫坡，斷面為整體式箱梁，墩頂梁高1.8 m，跨中及邊跨支點梁高1.2 m，變截面采用二次拋物線漸變。橋梁平面線形為直線，與道路中心線交角為90°。下部結構采用花瓶墩、樁接蓋梁式輕型橋臺。預應力鋼束采用1860鋼絞線，通長布置，共設置6束預應力鋼絞線。橋梁總體布置見圖1～3。

圖1 橋梁橋型布置(單位：標高為m，其他為cm)

圖2 橋梁墩頂斷面(單位：cm)

圖3 橋梁跨中斷面(單位：cm)

2 有限元模型

以常規無縱坡PC連續梁計算模型為比較對象，同時建立含縱坡的結構模型，有限元模型共64個節點、63個單元。荷載考慮結構自重、二期恒載、預應力荷載、整體升溫、整體降溫、梯度升溫、梯度降溫，其中預應力鋼束豎彎以頂板頂緣為參考點布設，移動荷載根據CJJ 11-2011《城市橋梁設計規范》計算。有限元模型見圖4。

圖4 橋梁有限元模型

3 計算結果分析

3.1 施工階段荷載作用下結構內力

為直觀分析縱坡對PC連續梁結構力學性能的影響，以各跨跨中節點、L/4節點、L/8節點(L為橋梁各跨跨度)為研究對象，計算結構自重、預應力荷載一次效應(鋼束張拉力對截面形心的內力引起的效應)與預應力荷載二次效應(超靜定結構引起的鋼束二次效應)下結構內力及支座反力，結果見圖5、圖6、表1。

由圖5、圖6可知：對于三跨連續梁，施工過程中，恒載作用下縱坡對結構內力的影響較小，結構內力的差異更多地反映在鋼束作用上。該橋預應力鋼束采用通長布置，兩端張拉，橋梁縱坡按照8%控制，預應力力臂與無縱坡橋梁有差異，造成預應力產生的彎矩不同。施工階段鋼束一次+鋼束二次效應考慮縱坡時的結構彎矩比無縱坡橋梁跨中彎矩增大1 182 kN·m，邊跨彎矩減小439～654 kN·m。

圖5 有無縱坡時施工階段恒載作用下結構內力對比

圖6 有無縱坡時施工階段鋼束一次+鋼束二次效應結構內力對比

表1 有無縱坡時施工階段結構支反力對比 kN

由表1可知：施工過程中，縱坡對結構支反力的影響較小。

3.2 正常使用極限狀態下結構內力

根據JGT D60-2015《公路橋涵設計通用規范》，分別考慮頻遇組合、準永久組合，對其取包絡值。有無縱坡時橋梁結構內力、支反力對比見圖7、圖8、表2。

由圖7、圖8可知：對于三跨連續梁，正常運營過程中，移動荷載作用下縱坡對結構內力的影響較小；相較于不考慮縱坡的計算模型，考慮縱坡時跨中內力減小，支點位置彎矩增大。

圖7 有無縱坡時運營階段移動荷載作用下結構內力對比

圖8 有無縱坡時正常使用極限狀態下結構內力對比

表2 有無縱坡時正常使用極限狀態下結構支反力對比 kN

由表2可知：縱坡對結構支反力的影響較小；考慮縱坡后，結構支反力分配更均衡。

3.3 承載能力極限狀態下結構內力

基于MIDAS/Civil后處理PSC設計功能，計算含縱坡、不含縱坡結構的承載能力，計算中采用相同的預應力鋼束布置方式。圖9為有無縱坡結構的承載能力極限狀態內力包絡圖。

圖9 承載能力極限狀態內力包絡圖

由圖9可知：承載能力極限狀態下，預應力布置方式均滿足規范要求；無縱坡模型承載力計算結果的安全冗余度為1.2%，考慮縱坡模型承載力計算結果的安全冗余度為9.7%，均發生在中跨跨中位置。對各荷載效應進行分析，考慮縱坡后，鋼束二次效應較明顯。

4 結論

(1) 相較于平直橋梁，橋梁結構考慮縱坡后，施工及正常運營階段恒載、移動荷載作用下結構彎矩變化較小，預應力荷載引起的彎矩變化較大。

(2) 大縱坡對結構支反力的影響較小。

(3) 承載能力極限狀態下，考慮縱坡后，鋼束二次效應較明顯，結構力學性能出現差異，縱坡使結構內力更均衡。