廣西西江扶典口特大橋2#主橋設計與計算分析

凌 冬，黃 珠，李思藝

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

橋梁作為我國交通基礎設施網中至關重要的樞紐工程，其性能要求被不斷提高。傳統的簡支梁橋結構形式簡單，應用最為廣泛，但其整體剛度較弱，若要增加橋梁的跨徑，只有通過增大主梁截面尺寸來抵抗自重產生的跨中彎矩，但這具有一定的局限性且經濟性能較差，不適用于跨越深溝峽谷、江河湖泊等極端地形地貌[1]。

為克服簡支梁橋剛度較弱、跨徑較小的缺點，墩梁固接、主梁連續的連續剛構體系應運而生，這種體系的橋梁整體具有較強的縱向抗彎剛度與橫向抗扭剛度，使其對主梁截面尺寸的要求較小，能夠有效減輕橋梁結構自重，增大跨徑[2]。而且，隨著預應力技術的日趨成熟，預應力混凝土連續剛構橋的跨越能力被進一步提升，目前已知主跨跨徑最大可超過300 m[3]。針對預應力混凝土連續剛構橋，許多專家學者對其開展了模型試驗或數值模擬研究其力學特性[4-6]。

本文以跨徑組合為131 m+198 m+131 m的廣西西江扶典口特大橋2#主橋為工程背景，結合有關設計規范條文，采用有限元計算軟件Midas Civil建立了全橋結構的計算模型，對該預應力混凝土連續剛構橋的各項設計指標進行了驗算。

1 橋梁工程概況及設計參數

西江扶典口特大橋是廣西梧州市環城高速公路項目中最大的控制性工程，位于梧州市環城公路K29公里處，地屬梧州市城東，自北向南跨越西江。其中，2#主橋采用預應力混凝土連續剛構橋體系，跨徑組合為131 m+198 m+131 m=460 m，其橋型布置圖如圖1所示。整體橋寬28.5 m，采用分幅設置，單幅橋寬12.75 m，兩幅橋間凈寬3 m。主梁采用單箱單室，邊墩墩頂及中跨跨中梁高4.2 m，中墩墩頂梁高11.5 m。主墩采用雙肢薄壁矩形斷面，樁基礎為2.2 m鉆孔灌注樁。

圖1 西江扶典口特大橋2#主橋橋型布置圖(mm)

該橋主梁采用C60型號混凝土，主墩采用C50型號混凝土，承臺與樁基礎則采用C30型號混凝土，預應力鋼絞線采用φs15.2型號。

2 有限元模型

采用有限元計算軟件Midas Civil建立全橋結構模型進行分析。全橋的施工過程共劃分為30個施工階段，有限元模型共有414個節點，393個單元。其中，1-130號單元為主梁單元。樁基礎梁單元按照實際樁長建立，在樁底采用固結，其中，左側墩為4#墩，右側墩為5#墩。樁側采用土彈簧約束縱向和橫向位移，土彈簧剛度采用“m”法計算。群樁與承臺采用主從約束，承臺與墩、墩與主梁采用剛臂連接，邊墩處約束豎向位移。

3 荷載取值

3.1 恒載

主要包括結構自重與二期恒載。結構自重按混凝土容重取26 kN/m3，二期恒載包括橋面鋪裝與護欄等，線分布荷載取72 kN/m。

3.2 汽車荷載

該橋梁的荷載標準為公路-Ⅰ級，綜合考慮橫向分布系數、橫向折減系數、偏載系數、超載系數以及沖擊系數的影響，由于建設時間為2018年，故各項影響系數及荷載取值所參考的設計規范為2004版的《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)。

3.3 附加荷載

溫度荷載主要包括體系升溫25 ℃，體系降溫23 ℃；溫度梯度按規范中100 mm瀝青混凝土鋪裝層取值。支座沉降按各支座下沉2 cm計。風荷載取百年一遇基本風速24.0 m/s。

3.4 施工荷載

施工荷載主要包括掛籃荷載和懸臂現澆混凝土的濕重。掛籃荷載取最大懸澆段重的0.55倍，為1 500 kN，濕重取相應懸澆混凝土的重量。

4 計算結果分析

4.1 應力計算

由有限元計算結果可得，在張拉體外預應力鋼束階段出現最大應力，如圖2所示。其中，最大法向壓應力為15.1 MPa，拉應力為0.38 MPa，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)(以下簡稱設計規范)中第7.2.7和7.2.8條的規定，其應力值滿足規范要求。

(a)上緣應力

(b)下緣應力

考慮成橋十年收縮徐變后，有限元計算結果如圖3所示。由圖3可知，成橋十年后主梁上緣最大壓應力為11.7 MPa，下緣最大壓應力為12.0 MPa，上下緣均未出現拉應力。最大豎向位移為向下8.1 cm，位置在4#墩邊跨跨中，均滿足規范要求。

(a)上緣應力

(b)下緣應力

5 持久狀況承載能力極限狀態計算

在承載能力極限狀態下，通過有限元軟件計算可得，結構的彎矩包絡圖及抗力圖如圖4所示。由圖4可知，彎矩抗力曲線能夠將內力曲線完全包絡。

圖4 正截面抗彎承載能力計算圖

按照設計規范中第5.1.5條的要求，根據結構的重要性需要考慮放大系數γ，本文取1.1，放大后的作用效應仍應不大于構件的承載能力，限于篇幅本文只選取部分典型截面進行考慮重要性放大系數的抗彎承載力驗算。計算結果如表1所示。由表1可見，各典型截面的安全系數均大于1，故該橋梁正截面抗彎承載能力滿足規范要求。

表1 典型截面抗彎承載力驗算表(kN·m)

6 結語

本文針對廣西西江扶典口特大橋2#主橋進行了設計

計算分析，通過有限元計算軟件Midas Civil建立了全橋模型，結合有關規范要求，分別在施工階段、持久狀況承載能力極限狀態、持久狀況正常使用極限狀態下對橋梁整體進行了模擬計算，并在持久狀況與短暫狀況下計算了構件的應力，還驗算了支座反力及下部結構。研究結果表明，該橋梁的各項設計指標均在相應規范要求的容許范圍之內，其計算結果可為類似橋梁結構的設計與計算提供參考。