魚腹式連續箱梁橋設計

解文光

[悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州215000]

1 工程概況

38 m+50 m+38 m 魚腹式連續梁是蘇州市某工程中的一段。橋面橫向布置為0.5 m（防撞護欄）+12.25 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+12.25 m（機動車道）+0.5m（防撞護欄）=26m，結構高度為2.5 m，主梁橫斷面形式為魚腹式，橋面鋪狀為7 cm 厚C40混凝土鋪狀＋橋面粘結防水涂料＋二層瀝青混凝土鋪裝（規格同道路），雙向橫坡2%。橋梁橫斷面見圖1。

圖1 橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

2 設計依據

依據資料：

橋梁總體布置橫斷面圖；

38 m+50 m+38 m 魚腹式連續梁主梁一般構造圖；

縱向預應力鋼束布置草圖；

結構縱向計算模型（橋梁博士）。

依據規范：

《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）

3 結構優化比較

本橋主梁為魚腹式斷面，原設計方案橫斷面采用了五條腹板，結構箱室相對較小，在橫橋向配置預應力鋼束的情況下，結構箱室可適當加大、橋面板厚度適當加大，可提高結構豎向及橫向的抗彎能力，改善結構受力。因此提出了三條腹板、箱梁頂板厚度25 cm的橫斷面比選方案，見圖2～圖4。

圖2 主梁近支座處橫斷面（單位：cm）

圖3 主梁跨中處橫斷面（單位：cm）

圖4 主梁橫梁處橫斷面（單位：cm）

橫斷面方案一：在比選方案（三條腹板）基礎上改進，外側腹板的頂板加腋增大。

橫斷面方案二：在比選方案（三條腹板）基礎上改進，頂板加厚到26 cm，外側腹板的頂板加腋增大。

橫斷面方案三：原設計方案（五條腹板）。

橫斷面方案四：在原設計方案（五條腹板）基礎上改進，頂板加厚到25 cm，外側腹板的頂板加腋增大。

3.1 腹板束配置形式比較

采用兩種形式的腹板束，第一種腹板束的彎起段相對較長，跨越L/5 斷面，彎起段角度相對較??；第二種腹板束的彎起段相對較短，彎起段基本在L/5斷面之前，彎起段角度相對較大。鋼束布置見圖5、圖6。

圖5 第一種腹板束（平坦腹板束）布置

圖6 第二種腹板束（陡峭腹板束）布置

兩種腹板束下結構縱向受力均能滿足規范要求。第一種腹板束（平坦腹板束）在正截面及斜截面抗裂方面均優于第二種腹板束（陡峭腹板束）。因此，推薦采用較平坦的腹板束布置。下列計算種均按照較平坦的腹板束進行布置。

3.2 縱向受力比較

對四種橫斷面方案進行縱向配束，并比較縱向計算結果得出結論：四種橫斷面方案下結構縱向受力均能滿足規范要求。對本橋而言，結構縱向受力非控制性因素。

3.3 橋面板受力比較

對四種橫斷面方案下進行橋面板配束，比較橋面板計算結果得出以下結論：

（1）橋面板橫向受力較為不利，為控制因素。

（2）對于懸臂根部不施加豎向約束的情況，按照預應力構件設計的橋面板抗裂驗算均不能滿足規范要求。

（3）對于懸臂根部施加豎向約束的情況，按照預應力構件設計的橋面板抗裂驗算均能滿足規范要求。

（4）實際的橋面板受力情況介于懸臂根部施加約束與不施加約束之間。從懸臂根部不施加豎向約束的計算結果來看，方案四（五條腹板，橋面板厚度為25 cm）抗裂性能最佳。

（5）對于橋面板計算，支座約束情況是個關鍵問題，因此需要采用空間模型進行深入計算分析。

由上計算結果可知，結構的縱向受力不控制結構設計，較平坦的腹板束布置對結構縱向受力較為有利。而橋面板受力則是本橋考慮的重點，因此本橋推薦采用的方案應為橋面板受力最好的方案，即圖7顯示的方案四（五條腹板，橋面板厚度為25 cm，邊腹板處加腋局部加大）。

圖7 方案四

4 推薦方案平面模型計算

4.1 縱向平面計算

總體縱向計算采用平面桿系理論計算，采用同濟大學橋梁博士V3.2 進行，根據橋梁施工流程劃分結構計算階段。根據荷載組合要求的內容進行內力應力、主梁極限承載力計算，按部分預應力構件驗算結構在施工階段、使用階段應力、極限承載力及整體剛度是否符合規范要求。計算考慮恒載、活載、溫度及支座沉降。

圖8、圖9 為本報告結構縱向計算采用的有限元模型以及主梁縱斷面。

圖8 結構縱向有限元模型

圖9 主梁橫斷面

在持久狀況短期效應組合下，正截面全部滿足規范要求，可以滿足抗裂要求。

在持久狀況長期效應組合下斜截面抗裂計算表明，本橋箱梁截面滿足規范正截面抗裂要求。

在持久狀況短期效應組合下斜截面抗裂計算表明，本橋箱梁截面滿足規范斜截面抗裂要求。

對持久狀況構件的應力計算表明，法向正應力能滿足規范要求。

鋼束張拉控制應為為1 395 MPa，部分鋼束使用狀態應力不能滿足規范要求。

主梁的承載能力極限狀態強度能夠滿足規范要求。

4.2 橫梁平面計算

橫梁計算采用全斷面布置，按照一次落架的施工方法采用平面桿系理論進行計算[5-6]，考慮長度為6 倍頂板厚度的頂底板參與橫梁受力，按部分預應力A 類構件設計，驗算極限承載力及整體剛度是否符合規范要求。

在持久狀況短期效應組合下，橫梁正截面基本可以滿足抗裂要求。

在持久狀況長期效應組合下，橫梁正截面基本可以滿足抗裂要求。

在持久狀況短期效應組合下斜截面抗裂計算表明，中橫梁及端橫梁滿足規范斜截面抗裂要求。

對持久狀況構件的應力計算表明，中橫梁及端橫梁法向正應力均能滿足規范要求。

部分區域承載能力極限狀態強度能夠滿足規范要求?？紤]普通鋼筋作用后可滿足規范要求。

4.3 橋面板計算

橋面板橫向框架按照一次落架的施工方法采用平面桿系理論進行計算，沿主梁縱向取出1 m 寬度，將車輪荷載按有效分布寬度計算出作用在每延米橋面板的荷載值，在其實際作用范圍按最不利加載。根據荷載組合要求的內容進行內力、應力、極限承載力計算，按A 類預應力混凝土構件驗算結構在施工階段、使用階段應力、極限承載力及整體剛度是否符合規范要求。

圖10 為橋面板模型。

圖10 橋面板計算模型

在持久狀況短期效應組合下，橋面板最外側兩條腹板之間上緣局部區域拉應力不能滿足規范要求外，正截面可以滿足抗裂要求。在持久狀況長期效應組合下，橋面板最外側兩條腹板之間上緣局部區域拉應力不能滿足規范要求外，正截面可以滿足抗裂要求。斜截面抗裂計算表明，基本滿足規范斜截面抗裂要求。持久狀況構件的應力計算表明，法向正應力能滿足規范要求。部分區域承載能力極限狀態強度能夠滿足規范要求。

橋面板平面計算模型對邊界條件模擬不準確，因此受力情況有待空間計算結果檢驗。

5 推薦方案空間梁格模型

采用MIDAS-CIVIL 結構分析軟件建立梁格模型進行計算，分析計算縱向、橫梁及橋面板受力情況。結構計算的幾何模型、有限元模型見圖11、圖12。

圖11 梁格幾何模型

圖12 梁格有限元模型

荷載參照表1，考慮以下四種荷載組合：

組合一：一期恒載+ 二期恒載+ 支座沉降+ 收縮徐變+溫度梯度正溫差+汽車對稱加載

組合二：一期恒載+ 二期恒載+ 支座沉降+ 收縮徐變+溫度梯度負溫差+汽車對稱加載

組合三：一期恒載+ 二期恒載+ 支座沉降+ 收縮徐變+溫度梯度正溫差+汽車偏載

組合四：一期恒載+ 二期恒載+ 支座沉降+ 收縮徐變+溫度梯度負溫差+汽車偏載

表1 作用荷載

計算結果由表2 列出。

表2 持久狀況短期效應組合下計算結果

6 推薦方案空間實體模型

梁格的劃分需根據經驗，梁格劃分不同，結構受力性能也就不同，因此梁格模型結果與結構實際受力情況還有所差距。本章采用ANSYS12.0 建立如圖13、圖14 所示的全橋實體模型進行計算，對多種工況下結構受力情況進行分析，借以把握結構受力規律，指導結構設計。

圖13 全橋結構網分后有限元模型

圖14 有限元模型斷面示意圖

通過對此單箱六室魚腹式箱梁三跨連續橋梁結構的空間三維仿真分析，主要得出以下結論：

（1）除局部區域外，空間實體模型計算結果與平面模型及梁格模型計算結果規律基本一致。

（2）由于箱梁截面較寬，截面內各腹板高度變化較大，結構中心線兩側各4.5 m 共9 m 范圍內頂、底板正應力分布相對較均勻，箱梁懸臂部分及邊室部分截面頂、底板縱向正應力變化劇烈，截面剪力滯效應比較明顯。

（3）縱向受力最小壓應力主梁除中跨跨中下緣局部區域外，上、下緣一般有不小于2 MPa 的壓應力富裕。建議縱向底板鋼束規格適當加大，以增加壓應力安全儲備?？v向主拉應力均能滿足規范要求。

（4）在橫梁下緣在懸臂區段及預應力鋼束錨固位置，存在較大的拉應力，中橫梁接近5.0 MPa，端橫梁接近3.0 MPa，其余均能滿足規范要求。懸臂區域出現的拉應力系模擬失真所致，橫梁下緣拉應力為錨下應力集中，建議在局部區域適當加大普通鋼筋含筋量。

（5）對于橋面板，除懸臂上局部區域最大拉應力達2.4 MPa 外，其余均能滿足規范規范要求。橋面板出現的拉應力系模擬失真所致。

（6）在恒載和預應力作用下，中間三道腹板為主要抗剪部位，共承擔了80%左右的截面總剪力。

荷載主要由中間三條腹板傳遞，超過總荷載的60%，因此橫梁計算模型中假定腹板均勻傳遞恒載是偏于安全的。

（7）在恒載作用下，中間三道腹板范圍頂、底板形成的斷面（結構中心線兩側各4.5 m 范圍內）為主要受力區域，提供70%以上的抗彎能力。建議在縱向普通鋼筋配置時，建議適當增加中間9 m 區域的鋼筋配置。

7 推薦方案預應力布置優化

縱梁空間計算結果表明，50 m 跨跨中區域底板鋼束配置偏少，平面計算表明部分鋼束使用應力偏大需增加鋼束配置；端橫梁鋼束與縱向鋼束沖突，形狀需要調整[7]；橋面板鋼束規格需減小到15-3。

比較分析計算結果后得出以下結論：

（1）部分縱向底板鋼束規格加大及部分鋼束張拉控制應力減小后，結構受力有明顯改善，各項應力均滿足規范要求。推薦采用調整后的鋼束布置。

（2）調整鋼束后的端橫梁，結構各項受力能夠滿足規范要求。

（3）橋面板鋼束應力規格減小后，橋面板下緣拉應力增大，橋面板受力變差。因此推薦采用原來的橋面板鋼束規格15-4。

8 結論及建議

本文結合蘇州市某工程中的一段，建立平面和空間模型分析了魚腹式連續梁不同腹板布置形式的受力情況，通過分析結果對方案進行逐步優化。采用橋梁博士軟件對四個不同方案的縱向受力、橫梁受力及橋面板受力進行分析計算。結果表明，橋面板受力較不利，是結構設計中的控制因素。

采用平面計算程序對結構縱向、橫梁及橋面板進行計算。結果表明，結構縱向受力、橫梁受力基本均能滿足規范要求，但部分縱向鋼束的使用應力超過了規范限值。橋面板除最外側兩條腹板之間上緣局部區域拉應力不能滿足規范要求外，其余均能滿足規范要求。但是橋面板計算模型中邊界條件失真，因此需要通過空間模型進一步檢驗?？臻g全橋結構實體模型計算結果與平面模型規律基本一致；50 m跨跨中區域底板鋼束配置偏少；橫梁除局部應力集中及局部計算模擬失真外，受力均能滿足規范要求；橋面板受力除局部計算模擬失真外，受力均能滿足規范要求。

對部分縱向底板鋼束規格加大，調整鋼束的張拉控制應力和端橫梁鋼束布置，避免了和縱向底板鋼束相沖突。鋼束調整后，結構受力均能滿足規范要求。