某立交变宽异形箱梁结构分析

张 恩 辰

(合肥市市政设计院有限公司，安徽 合肥 230041)

某立交变宽异形箱梁结构分析

张 恩 辰

(合肥市市政设计院有限公司，安徽 合肥 230041)

通过对某变宽异形箱梁桥进行梁格法建模分析，介绍了梁格法在变宽异形箱梁桥中的应用技术，计算结果表明：梁格法实用、简便，借助计算机相关程序软件，可更好地用于变宽异形箱梁桥设计。

变宽异形箱梁，梁格法，预应力混凝土

0 引言

随着我国交通事业的快速发展，大型复杂的互通立交和城市高架桥的日益增多，仅合肥市从2008年第一座金寨路高架桥竣工至今，已经陆续建成高架桥10余座，还有很多目前正在进行规划设计阶段，大批高架桥的修建，使得城市交通步入立体化时代。其中，在桥梁主线与匝道之间或者匝道与匝道之间常需要采用宽度变化或带曲线的异形桥梁结构进行连接[1]。因平面结构的不规则性，异形变宽箱形预应力混凝土结构更是首选。由于其构造特点和内力分布的不均匀性，特别是其结构空间效应显著，因此在结构受力分析上较常规的直线箱梁桥要复杂很多，选择合适的方法进行分析是保证工程质量和控制造价的关键[2]。

梁格理论作为一种实用的计算方法，在工程界得到广泛应用，它具有基本概念清晰、计算费用低等特点，本文采用通用计算软件MIDAS/Civil 2012对某实际工程进行梁格法建模分析。

1 工程概况

某城市互通立交采用双“Y”形立交，本次计算模型位于主线左半幅第33联，跨径组合为(30+31.216+30)m，结构形式为预应力混凝土变宽异形箱梁，梁高2.2 m。平面具体布置为：第一跨、第二跨为整体式变宽箱梁，主梁截面由单箱四室过渡为单箱五室，箱梁宽度由17.847 m变化至28 m；第三跨分离为主线和右出(转)匝道，箱梁宽度分别为主线13 m宽和匝道10 m宽，箱梁截面均为单箱二室截面。全桥的平面构造见图1。

2 建立模型

采用MIDAS/Civil 2012计算程序进行空间计算，计算时采用空间剪力柔性梁格模拟实际结构[3]。首先以腹板为单位划分为5条纵向梁格，截面分割基于箱梁腹板中心线为基础，采用腹板中心线之间距离的中点位置作为截面的划分点，如图2所示。划分后的截面对其进行截面特性值计算，修正截面刚度值和质心位置，使各个划分后的梁格截面与原截面的中心轴保持一致，便于结构前后应力计算的准确[4,5]。

根据上述方法，确定结构的纵向梁格体系，并在悬臂端部设置虚拟梁。结构的横向体系则由实体横梁、跨中横隔板以及虚拟横梁组成，以上纵横向体系组成了该结构的空间梁格体系。其中所有虚拟梁均不参与受力，仅起传递荷载的作用，采用“工”字形截面，腹板宽度取值为0.001 m，从而实现其自重基本为0，刚度较小的理论前提。划分单元时，综合考虑了腹板、顶、底板变厚以及计算精度等要求，将纵梁单元在横梁、截面变化处等关键部位进行划分，且在支座和横梁处加密了网格[6-8]。根据以上的梁格划分原则，全桥共划分505个节点，878个单元，计算模型如图3,图4所示。

预应力的布置由于纵梁1～纵梁5(腹板A～腹板D)在三跨内的长度基本一致，因此在各个腹板配置的预应力钢束数量和束形一致，均采用10根15-15预应力通长钢束，两端锚固于梁端处，布置三排；纵梁6(腹板C′)腹板钢束采用2根15-15预应力短钢束，一端锚固于梁端，另一端采用P锚锚固于横梁处，布置三排，钢束平面如图5所示。

3 计算结果

本桥施工按现浇满堂支架考虑，共划分3个施工阶段：第1阶段一次成桥，浇筑箱梁混凝土，张拉预应力体系，持续时间30 d；第2阶段施加二期恒载，施工桥面系等，持续时间10 d；第三阶段为10年收缩徐变，持续时间3 650 d；荷载基本工况为：结构自重、二期恒载、汽车荷载、温度荷载、温度梯度、收缩徐变、支座沉降等，计算得到此梁格模型的各纵梁的内力[9,10]。

1)根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求，对持久状况承载能力极限状态抗弯强度进行计算分析，如表1所示。

表1 持久状况承载能力极限状态抗弯强度表 kN·m

2)正常使用极限状态长、短期效应组合的拉应力见表2。

表2 正常使用极限状态长期、短期效应组合的拉应力 MPa

3)支撑反力见表3。

表3 支撑反力汇总表 kN

从计算结果可以得出：

1)按照JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第5.1.5条验算，结构重要性系数×作用效应的组合设计最大值均不大于构件承载力设计值，满足规范要求。

2)按照JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第6.3.1-1条验算:短期效应组合σst-σpc≤0.7ftk=1.85 MPa，满足规范要求。长期效应组合σ1t-σpc≤0，满足规范要求。

3)边梁(纵梁1、纵梁5)相对于中梁(纵梁2～纵梁4)来看，边梁的应力大于中梁，安全富余度中梁较大。说明腹板受力的不均匀性。

4)由于结构的不规则性，桥面在活载的布置和结构自重上差异性较大，因此各墩柱处支点反力差别较大。

4 结语

1)对于异形变宽的预应力混凝土箱梁，因为各根纵梁的受力差异性较大(腹板受力的不均匀性)，模型计算时不能按单梁考虑，应尽量采用空间模型进行计算(梁格法)。

2)梁格法计算输出结果均为各截面内力，与现行规范按照内力配筋的方式相匹配，根据内力计算结果可以进行经济合理的配筋和设计。同时对于某些超宽箱梁段，可以通过局部增加腹板，设置短束预应力筋改善箱梁受力。如本次计算时划分的纵梁6。

3)异形变宽处，往往横梁宽度较大，同时变宽处应受地面道路系统影响，墩柱布置条件较为苛刻，经常需要配置大悬臂或外伸式门式刚架横梁，梁格法上部分析时，可以准确得到各横梁的受力情况，为支座及下部结构的设计提供更为准确的设计反力。

4)通过本文工程实例，梁格法简便、实用，特别是借助计算机相关程序软件，可以很好的用于变宽异形箱梁桥的设计。

[1] 黄剑愿，谢 旭.城市高架桥的结构理论与计算方法[M].北京：科学出版社，2001.

[2] 尹树桃，许福友.基于梁格法的变宽异形箱梁结构分析[J].山东交通学院学报，2010，18(1)：53-56.

[3] 张发春，杨昌正.梁格法在弯箱梁桥上的分析及应用[J].重庆交通大学学报，2008，127(1)：14-16.

[4] [美] E.C.汉勃利.桥梁上部结构性能[M].郭文辉，译.北京：人民交通出版社，1982.

[5] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6] 尤驭球.有限元概论[M].北京：高等教育出版社，1978.

[7] 戴公连，李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8] 孙广华.曲线梁桥计算[M].北京：人民交通出版社，1997.

[9] JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[10] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

Analysis of wide box beam of interchange of variable structure

Zhang Enchen

(HefeiMunicipalDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230041,China)

According to the framework establishment analysis of some wide box beam of variable structure interchange, the paper introduces the application technique of beam grid method in the wide box beam of variable interchange, proves by the calculation result that the beam grid is practical and convenient and it can be bitterly adopted in the design of the wide box beam of interchange of variable structure by using related computer program and software.

wide box beam of interchange of variable structure, beam grid method, prestressed concrete

2015-02-28

张恩辰(1983- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)13-0172-02

U441

A