現澆預應力連續箱梁人行天橋受力性能分析

岳燁 YUE Ye

（云南省城鄉規劃設計研究院，昆明 650228）

0 引言

城市的發展過程中不可避免的會出現人車爭道的現象，人行天橋的出現很好的緩解了這一矛盾，其功能主要是使得行人和車分離，保證道路交通的流暢性。大多數情況下，人行天橋采用的都是鋼結構，因此自重較輕，施工吊裝也較為簡便，其根本優點是施工方便，不需要中斷交通，對現有的交通干擾較小，若是跨徑較為簡單的天橋，但在考慮諸多因素，包括跨徑不統一、造價問題等，有時也會采用不規則不等跨的現澆預應力連續箱梁作為上跨原有道路的天橋選擇，此時就需要對其結構的整體受力進行分析[1]。

本文以某不等跨的現澆預應力混凝土連續箱梁人行天橋為例，其計算跨徑為13.05m+26.45m。采用某有限元軟件建立分析模型，在考慮自重、溫度以及可變荷載作用下，對其整體的受力性能進行分析，包括其在持久狀況承載能力極限狀態、持久狀況正常使用極限狀態以及橋梁整體的撓度和預拱度進行分析，并得出相關結論。計算結果表明，該橋的整體受力情況以及剛度都能夠滿足運營需求。但不等跨橋梁的受力特點較等跨橋梁復雜，在短跨處，其抗彎承載力富余度較大，在正常運營時，根據剛度分配力，長跨處的受力較為不安全，容易造成裂縫，因此設計人員在進行設計時，中跨位置處的預應力鋼筋應該盡可能的遠離中性軸，以保證中跨位置處承載能力，以期對類似工程提供參考[2]。

1 項目概況

該人行天橋，位于某街交叉口以東，上跨一條路寬25m的市政路，呈南北走向，連接A2、A3地塊，橋長為56m，采用兩跨13.05m+26.45m上跨某路，橋梁凈寬為8m，兩側各設0.5m護欄區，主橋標準段橫斷面布置情況如下：0.5m（人行護欄）+8m(人行道)+0.5m（人行護欄）=9m，P03橋墩處包含兩側各0.55m裝飾柱（含縫）后總寬為10.1m；上部主梁采用現澆預應力鋼筋混凝土箱梁，梁高2.0m，單箱三室，主梁寬9m；梯道橋為澆鋼筋混凝土板，板厚0.5m，標準段板寬全段10.2m。梯道梁采用現澆鋼筋混凝土板；下部結構采用柱式墩和鉆孔灌注樁基礎。其立面圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2 有限元建模

2.1 荷載參數

2.1.1 永久作用

橋梁所受荷載除結構自重、活載外還考慮二期恒載（橋面鋪裝、墻式護欄、中間分隔帶等）、溫度、不均勻沉降、混凝土收縮、徐變等[3]。混凝土的容重26kN/m3，在進行midas計算時，結構的自重系數應為-26/25=-1.04。護欄和鋪裝各考慮為2kN/m。

2.1.2 溫度作用

①整體升降溫。體系整體升降溫：體系溫升20°，體系溫降20°；②溫度梯度。溫度梯度：梯度溫升14°/5.5°，梯度溫降-7°/-2.25°。

2.1.3 可變作用

①人群荷載：根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》計算得出，q=3.2kPa；②支座沉降：考慮每個支座沉降5mm，自由組合最不利情況。

2.2 有限元模型

采用Midas/Civil2019版本，采用空間桿系對上部結構進行建模，本計算對前六聯進行建模計算考，對各受力階段進行內力、應力、位移等進行計算校核。并以《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）為標準，模型計算按C50混凝土構件進行驗算。計算參數取值如下：①相對濕度為70%；②墩臺不均勻沉降考慮5mm；③體系整體均勻升溫20℃，均勻降溫為20℃；④豎向溫度梯度模式按規范取用；⑤鋼筋混凝土結構容重按26kN/m3計。

結構設計采用不同的軟件進行分析；荷載橫向分配系數采用剛性橫梁法、剛接板（梁）法和梁格法三種計算方法進行對比分析，取大值控制設計[4]。橋臺位置及其他位置均采用雙支座設計。其有限元模型如圖2所示。

圖2 計算模型

3 結構分析

3.1 承載能力極限狀態驗算

3.1.1 正截面抗彎承載能力驗算（圖3）

圖3 正截面抗彎承載能力驗算結果

結論：按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第5.1.5條γos≤R驗算，結構重要性系數×作用效應的組合設計最大值均小于等于構件承載力設計值，滿足規范要求。正常運營狀態下，不等跨橋梁的彎矩分布大致還是按照跨度和受力大小進行的，因此在對彎矩進行計算時，應重點考慮長跨度處以及長跨和短跨位置處的負彎矩區，這影響著橋梁結構鋼筋的布置以及預應力鋼筋位置的選擇。其中相比于較長跨的受力而言，長跨位置處的彎矩荷載較大，因此在此處的預應力鋼筋應盡量遠離中性軸布置。

3.1.2 斜截面抗剪承載能力驗算（圖4）

圖4 斜截面抗剪承載能力驗算結果

結論：按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第5.1.5條驗算，結構重要性系數×作用效應的組合設計最大值均小于構件承載力設計值，滿足規范要求。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第5.2.9條進行抗剪截面驗算，滿足規范要求。

3.2 正常使用極限狀態驗算

3.2.1 結構抗裂驗算（圖5）

圖5 斜截面抗裂驗算結果

結論：按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第6.3.1-6.3.2條驗算，正截面抗裂和斜截面抗裂均滿足規范要求。在進行驗算時，構件的裂縫驗算是影響橋梁整體結構正常運營狀態下較為重要的一環，若橋梁裂縫驗算沒有通過，將會極大程度上影響橋梁后續的運營，會出現下撓嚴重，裂縫寬度越來越大從而要進行二次加固，將會極大程度上提高造價。因此在設計過程中，應該較為保守的對裂縫寬度進行驗算，以防止橋梁結構二次費用的增加。

3.2.2 撓度和預拱度

①主梁剛度計算。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第6.5.3條規定，受彎構件在適用階段的撓度應考慮荷載長期效應的影響，即按荷載短期效應組合和本規范6.5.2條規定的剛度計算的撓度值，乘以撓度長期增長系數nθ。C50混凝土撓度長期增長系數由直線內插取nθ=1.43。鋼筋混凝土受彎構件按上述計算的長期撓度值，在消除自重產生的長期撓度后梁橋主梁的最大撓度處不應超過計算跨徑的1/600[5]。

提取計算出邊跨和中跨在恒載、活載作用下產生的撓度值見表1，活載的荷載工況系數：0.7，然后根據撓度長期增長系數計算預拱度，由于考慮到長跨位置處的跨徑較大，因此在進行計算時，就考慮為最不利狀態，僅進行長跨位置處預拱度的分析。

表1 撓度計算取值和系數表（主跨）

消除自重產生的長期撓度，荷載短期效應的可變作用考慮長期效應引起的撓度：1.43×0.7×0.732=0.73mm<26400/600=44mm。結構剛度滿足要求。撓度病害是橋梁長期運營狀態下不可避免的病害，因此在設計過程中，應考慮撓度的長期增長系數，以防止后續橋梁服役后產生下撓嚴重的問題，影響橋梁正常運營，以至于產生二次加固費用。

②預拱度設置。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第6.5.5條規定，對預應力鋼筋混凝土構件（1）當預應力產生的長期反拱值大于荷載頻遇組合計算的長期撓度時，可不設預拱度。

考慮按荷載頻遇效應組合（考慮長期）計算的長期撓度：9.95＞9.76mm，故可不設置預拱度。在考慮到為人行橋，且跨徑不等，在計算長期撓度的時候，荷載對其的影響較大，本文中所闡述的方法，也可為其他類似工程提供參考。

4 結論

本文以某不等跨的現澆預應力混凝土連續箱梁人行天橋為例，其計算跨徑為13.05m+26.45m。采用某有限元軟件建立分析模型，在考慮自重、溫度以及可變荷載作用下，對其整體的受力性能進行分析。計算結果表明，該橋的整體受力情況以及剛度都能夠滿足運營需求。但不等跨橋梁的受力特點較等跨橋梁復雜，在短跨處，其抗彎承載力富余度較大，在正常運營時，根據剛度分配力，長跨處的受力較為不安全，容易造成裂縫，因此設計人員在進行設計時，中跨位置處的預應力鋼筋應該盡可能的遠離中性軸，以保證中跨位置處承載能力。