混凝土橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中斷面形式選擇研究

左小剛

（福建省建筑輕紡設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350002）

1 工程概況

馬尾大橋及南北接線工程按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，項(xiàng)目起于環(huán)島路的終點(diǎn)，快速部分以高架橋上跨福泉高速，沿規(guī)劃紅線往東北展線，上跨南江濱道路，跨越閩江，至閩江北岸后，上跨北江濱公路后，跨越福馬鐵路、福馬路，最后主線快速接上機(jī)場(chǎng)高速公路二期（福州方向）。

馬尾大橋主橋橋孔布置：K1+986—K3+670（65+12×82+124+240+124+82+65）m，橋梁全長(zhǎng)1684m，其中在K3+605—K3+670 作為主橋邊跨65m 直接上跨北江濱大道。

1.1 主要材料

箱梁混凝土采用等級(jí)C50，混凝土力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 混凝土力學(xué)性能指壓表

采用R235 級(jí)鋼筋和HRB335 級(jí)鋼筋，鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)表

1.2 作用取值及組合

1.2.1 永久作用

上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的混凝土自重計(jì)算采用容重26kN/m2；鋼材采用容重78.5kN/m2；瀝青混凝土橋面鋪裝自重計(jì)算采用容重24kN/m2；防撞欄桿等材料的重力密度按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.2.1 條取用；混凝土收縮和徐變按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）有關(guān)規(guī)定計(jì)算，相對(duì)濕度為80%。

1.2.2 可變作用

城-A 級(jí)車道荷載，車輛沖擊系數(shù)按《城市橋梁設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》（CJJ 11—2011）2019 年 版 取 值。均 勻 溫度：體系整體升均勻溫25℃，整體均勻降溫25℃。梯度溫度：梯度溫度模式按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.3.12 條取用。

依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行如下驗(yàn)算：

第一，短暫狀況施工階段，構(gòu)件正截面應(yīng)力驗(yàn)算；

第二，持久狀況使用階段，混凝土構(gòu)件正截面壓應(yīng)力和斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算，預(yù)應(yīng)力鋼束最大拉應(yīng)力驗(yàn)算；

第三，持久狀況正常使用極限狀態(tài)，混凝土構(gòu)件正截面和斜截面抗裂性驗(yàn)算；

第四，持久狀況承載能力極限狀態(tài)，混凝土構(gòu)件正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力驗(yàn)算[1]。

2 斷面形式選擇

以合理、經(jīng)濟(jì)、安全并兼顧美觀為原則，該工程在設(shè)計(jì)初步階段提出以下4 種斷面形式進(jìn)行選擇，具體斷面形式見(jiàn)表3。

表3 斷面形式表

3 模型計(jì)算

采用橋梁空間有限元軟件（Midas/Civil)建模分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

3.1 短暫狀況結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較

按短暫狀況結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)計(jì)算箱梁截面應(yīng)力，混凝土箱梁的應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖2-圖5。

圖2 按短暫狀況箱梁上緣最小應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖3 按短暫狀況箱梁上緣最大應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖4 按短暫狀況箱梁下緣最小應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖5 按短暫狀況箱梁下緣最大應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

按短暫狀況結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)計(jì)算，不同斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表4。

表4 按短暫狀況不同斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.2 成橋后結(jié)構(gòu)永久作用狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較

按成橋初期結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)計(jì)算，混凝土箱梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 成橋初期箱梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖7 成橋初期箱梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa)

按成橋初期結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)計(jì)算，不同斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表5。

表5 成橋初期不同斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

考慮混凝土徐變收縮作用3 年，計(jì)算得到的混凝土箱梁上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 成橋3 年后箱梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖9 成橋3 年后箱梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

按成橋3 年后計(jì)算，不同斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表6。

表6 按成橋3 年后不同斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.3 持久狀況使用階段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較

在持久狀況下，進(jìn)行使用階段正截面混凝土法向拉壓應(yīng)力及斜截面混凝土主壓應(yīng)力驗(yàn)算。考慮作用標(biāo)準(zhǔn)值組合：結(jié)構(gòu)重力＋預(yù)加力＋收縮徐變作用＋城-A 級(jí)＋溫度作用。

3.3.1 截面正應(yīng)力

使用階段不同斷面形式斜截面的最大正應(yīng)力比較見(jiàn)表7。

表7 使用階段不同斷面形式的最大正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.3.2 截面主壓應(yīng)力

使用階段不同斷面形式斜截面的最大主壓應(yīng)力比較見(jiàn)表8。

表8 使用階段不同斷面形式的最大主壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.4 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果比較

持久狀況正常使用極限狀態(tài)，采用短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合，對(duì)構(gòu)件的抗裂性和撓度進(jìn)行驗(yàn)算。將各種作用進(jìn)行以下兩種組合，進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算：

短期效應(yīng)組合：結(jié)構(gòu)重力（結(jié)構(gòu)自重＋附加重力）＋預(yù)加力＋收縮徐變作用＋0.7×城-A 級(jí)（不計(jì)沖擊）＋均勻溫度作用＋0.8×梯度溫度作用＋支座沉降。

長(zhǎng)期效應(yīng)組合：結(jié)構(gòu)重力（結(jié)構(gòu)自重＋附加重力）＋預(yù)加力＋收縮徐變作用＋0.4×城-A 級(jí)（不計(jì)沖擊）＋均勻溫度作用＋0.8×梯度溫度作用＋支座沉降。

3.4.1 正截面抗裂性驗(yàn)算

在持久狀況短期組合作用下，不同斷面形式正截面上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表9。

表9 短期組合作用各斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

在持久狀況長(zhǎng)期組合作用下，不同斷面形式正截面上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表10。

表10 長(zhǎng)期組合作用各斷面形式上、下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.4.2 斜截面抗裂性驗(yàn)算

不同斷面形式斜截面最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表11。

表11 不同斷面形式最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立有限元模型，采用不同斷面形式進(jìn)行計(jì)算，分別對(duì)短暫狀況結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算、成橋后結(jié)構(gòu)永久作用狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算、持久狀況使用階段應(yīng)力計(jì)算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，選擇斷面受力比較均衡、安全富余度較大，并結(jié)合“適用、經(jīng)濟(jì)、美觀和有利環(huán)保”的原則，最終選取了斜腹式斷面形式作為最終的方案。