深中通道泄洪區下部結構寬墩對大懸臂蓋梁受力的影響分析

施江濤

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

獨柱墩蓋梁由于占地小、凈空大、景觀效果好，在市政橋梁工程甚至跨海橋梁工程中得到廣泛應用[1]。但由于采用獨柱墩，墩柱橫向尺寸較大，在蓋梁受力分析時需考慮墩柱對蓋梁受力的影響, 不同的設計計算方法使結果有較大差異，如設計不當易造成蓋梁開裂[2]。本文以深中通道工程為依托，對其泄洪區6×110 m 鋼箱梁下部結構蓋梁進行受力分析，分別建立桿系和實體計算模型，對各模型計算結果進行對比分析，評價寬墩對蓋梁受力的影響。

1 工程概況

深中通道東接機荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，與規劃的中開、東部外環高速對接，主體工程全長約23.879 km，包括6.845 km 的沉管隧道、東西兩座人工島、約17.034 km 的橋梁，是集“隧、島、橋、地下互通”于一體的超級集群工程。

泄洪區引橋墩身采用變截面的六邊形斷面。整幅墩墩頂橫橋向寬8 m，蓋梁以下橋墩橫橋向按1/28 斜率漸變打開，底寬根據墩高變化。順橋向側面為豎直，厚4 m。如圖1 所示，整幅墩墩頂蓋梁采用實心倒梯形斷面，橫橋向長32～38.1 m，頂寬4 m、底寬3.33 m、高5 m。預應力鋼束采用19Фs15.2。蓋梁采用C50 混凝土，按全預應力混凝土結構設計，鋼束布置如圖2 所示。

圖1 泄洪區非通航孔橋下部結構一般構造圖（單位：cm）

圖2 泄洪區非通航孔橋蓋梁鋼束圖

為掌握不同計算模型對寬墩獨柱蓋梁的應力狀態（尤其墩柱處蓋梁的應力狀態）的影響，用橋梁博士和ANSYS 軟件分別建立桿系和實體計算模型，對比分析其計算結果，評價寬墩對蓋梁受力的影響，提出設計計算時需要注意的事項，為蓋梁設計提供科學的依據。

2 計算模型

采用橋梁博士建立三個蓋梁和立柱桿系模型，三個模型的蓋梁邊界條件不一樣，導致墩柱區域蓋梁的受力計算結果也有較大差異[3，4]。模型一墩柱與蓋梁連接處采用單節點剛接；模型二墩柱寬度范圍內與蓋梁采用多節點剛接；模型三墩柱寬度邊緣與蓋梁采用兩節點剛接；模型四采用ANSYS 建立蓋梁和立柱的實體模型，其中預應力鋼束采用桿單元。

邊界條件均按橋墩底部全固結考慮。為便于結果比較，三個模型的荷載均采用基本組合下的最不利支座反力在相應的位置進行加載。

預應力鋼束均采用19Фs15.2，扣除損失后按1 210 MPa，恒載支反力10 600 kN，活載支反力3 260 kN。墩高45 m，蓋梁總長34 m，蓋梁根部高5 m，立柱頂寬8 m。橋梁博士計算模型和ANSYS計算模型如圖3 所示。

圖3 橋博蓋梁計算模型和ANS YS 蓋梁計算模型

3 結果分析

寬墩主要影響蓋梁上緣和下緣的正應力，因為剪應力在墩柱范圍外不受墩柱影響，在墩柱范圍內不控制設計。故以下僅對蓋梁上緣和下緣的正應力進行對比分析。

3.1 蓋梁計算結果對比

以蓋梁頂緣中心為坐標原點，橫橋向為X 軸，則各個斷面上、下緣的應力如圖4（受壓為負、受拉為正）所示，相關數據見表1（受壓為正、受拉為負）。計算得到的各模型蓋梁上緣和下緣正應力結果如圖5和圖6 所示（受壓為正、受拉為負）。

模型一、模型二和模型三都采用的是橋博桿系計算模型，在墩柱范圍外三者應力完全重合，但在墩柱范圍內，三者差別較大。模型一由于采用墩柱中心與蓋梁單節點剛接，立柱處蓋梁上緣拉應力較大，為3.16 MPa，下緣壓應力也較大，為15.8 MPa；模型二采用墩柱寬度范圍內與蓋梁多節點剛接，結果與模型一差別較大，立柱處蓋梁上緣受壓，壓應力為5.29 MPa，下緣壓應力為6.39 MPa，且墩柱范圍內應力存在波折，這是由于剛接的多節點受力不均導致的；模型三采用墩柱寬度邊緣與蓋梁兩節點剛接，立柱處蓋梁上緣壓應力為4.80 MPa，下緣壓應力為6.90 MPa，且墩柱范圍內應力較為平滑。

圖4 ANS YS 計算得到的蓋梁總體應力圖和各斷面應力圖（單位：P a）

表1 各模型蓋梁正應力計算結果表 單位：MP a

圖5 各個模型蓋梁上緣應力圖（單位：MP a）

圖6 各個模型蓋梁下緣應力圖（單位：MP a）

模型四采用實體有限元計算，可較為真實地反映蓋梁的實際受力情況（如圖4～圖6 所示），在蓋梁范圍外，除了在支座墊石位置處應力存在突變，其余位置上、下緣應力與桿系模型計算結果較為一致。從圖中看出，在墩柱范圍內蓋梁上緣壓應力是基本恒定的，而下緣壓應力在墩柱范圍內快速下降，形成一個凹坑，這是由于蓋梁下緣的壓應力在墩柱處向墩柱下部擴散，使該處壓應力減小。該模型立柱處蓋梁上緣壓應力為3.49 MPa，較模型一大，較模型二和三小，下緣壓應力為3.53 MPa，較前三個模型都小。

3.2 小結

模型一計算誤差較大，對獨柱蓋梁上緣應力較實際小很多，過于保守，下緣應力較實際大很多，過于不安全，若采用此模型，蓋梁上緣需配置較多鋼束，造成材料浪費，并可能使下緣受拉，使結構處于不安全狀態。模型二和模型三在墩柱中心的蓋梁上緣和下緣應力均較實際大，偏于不安全，但墩柱邊緣處的蓋梁應力較實際稍小，偏于安全，故若采用此類模型，蓋梁墩柱范圍內的應力可均采用墩柱邊緣處的蓋梁應力，這樣做是偏于安全的。

4 結論與建議

根據對深中通道泄洪區引橋下部結構寬墩獨柱蓋梁進行有限元分析，得出如下結論：

（1）寬墩對蓋梁上緣的應力有平滑作用，使墩柱范圍內蓋梁上緣應力基本恒定。寬墩對蓋梁下緣的應力有減載和擴散作用，使墩柱范圍內蓋梁下緣應力快速下降，形成應力凹坑。

（2）單節點固結剛接模型使蓋梁上緣應力較實際小很多，過于保守，下緣應力較實際大很多，過于不安全。

（3）多節點剛接模型和兩節點剛接模型在墩柱中心的蓋梁上緣和下緣應力均較實際大，偏于不安全，但墩柱邊緣處的蓋梁應力較實際稍小，偏于安全。若采用此類模型，蓋梁墩柱范圍內的應力均采用墩柱邊緣處的蓋梁應力，這樣做是偏于安全的。