郜保銀

（武漢綜合交通研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

近年來，由于我國(guó)交通運(yùn)輸、科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及西部地區(qū)建設(shè)的不斷深入，西南地區(qū)跨越高山峽谷的公路橋梁日漸增多。由于山區(qū)地質(zhì)地形及地貌復(fù)雜多變，因此橋梁線形比較復(fù)雜，往往需要跨越深溝和峽谷，使得山區(qū)公路橋梁建設(shè)需集曲線、高墩、大跨徑于一體，越來越多的高墩大跨度橋梁在復(fù)雜的高山峽谷地區(qū)的橋梁建設(shè)中應(yīng)運(yùn)而生。

高墩大跨徑剛構(gòu)橋是一種特殊的連續(xù)梁橋，4項(xiàng)構(gòu)造特點(diǎn)包括上部結(jié)構(gòu)與一般連續(xù)梁橋一樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)連成一個(gè)整體，橋面平順，整體性好，行車更加舒適；橋墩高大而且一般采用薄壁墩，橋墩有較大的柔度，形成擺動(dòng)支撐體系，可以有效減小結(jié)構(gòu)次內(nèi)力；由于橋墩和主梁固結(jié)在一起，為進(jìn)行懸臂施工提供了有利條件，同時(shí)也無需再次更換支座；橋型美觀，且橋梁抗震性能優(yōu)良，可以有效緩解地震動(dòng)力的影響。

由于科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路橋梁的建設(shè)時(shí)間大大縮短，導(dǎo)致許多問題得不到有效解決或者來不及解決，本文討論的內(nèi)容正是針對(duì)西部等復(fù)雜地形橋梁的“大跨徑”和“高墩”等地域性特點(diǎn)提出，合適的墩梁剛度比不僅能夠滿足整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的順橋向剛度，還可以有效改善橋梁上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，充分挖掘混凝土和鋼材各自的力學(xué)潛力，使工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更合理，并增大結(jié)構(gòu)跨越能力。

一、工程概況與動(dòng)力計(jì)算模型

（一）工程概況

塢家灣大橋主橋?yàn)槿蝾A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為58m+100m+58m。主橋上部結(jié)構(gòu)為變高度箱梁，單箱單室截面，布置有橫向、豎向和縱向三向預(yù)應(yīng)力；下部結(jié)構(gòu)為矩形實(shí)心墩，基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，每個(gè)承臺(tái)下埋設(shè)有4根樁。

（二）靜力計(jì)算模型

靜力計(jì)算運(yùn)用橋梁通用有限元軟件Midas/Civil建立塢家塆大橋的全橋梁?jiǎn)卧Ｐ?。曲率半徑?50m，全橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為187個(gè)節(jié)點(diǎn)和182個(gè)單元；主墩劃分為104個(gè)單元。主梁和主墩均采用邁達(dá)斯梁?jiǎn)卧M，鋼束按施工圖紙的實(shí)際空間位置布置；橋梁承臺(tái)和樁基礎(chǔ)均沒有模擬，直接在墩底部做固結(jié)處理。

零號(hào)塊局部實(shí)體單元模型采用Midas/FEA建立，如圖2、圖3所示。零號(hào)塊模型采用自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格劃分，模型共離散為36602個(gè)單元和9766個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包括兩個(gè)連接單元，混凝土和三向預(yù)應(yīng)力鋼絞線分別使用3D實(shí)體單元和FEA鋼筋單元模擬。依據(jù)圣維南原理，結(jié)構(gòu)所受荷載的具體分布形式只對(duì)離其作用區(qū)比較近的部位的應(yīng)力產(chǎn)生影響，因此相對(duì)較遠(yuǎn)部分的應(yīng)力狀況可認(rèn)為對(duì)零號(hào)塊空間應(yīng)力的分布沒有影響。模型以零號(hào)塊及其相鄰的1號(hào)節(jié)段、2號(hào)節(jié)段和8m長(zhǎng)的高墩作為分析對(duì)象，將Midas/Civil中得到的整體內(nèi)力計(jì)算結(jié)果作為零號(hào)塊細(xì)部模型局部切開處的邊界條件，以集中力、彎矩和扭矩的方式加載到零號(hào)塊相應(yīng)的端部截面質(zhì)心處，以此求解零號(hào)塊局部的應(yīng)力狀況。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 零號(hào)塊局部有限元模型

圖3 三向預(yù)應(yīng)力布置圖

二、靜力性能分析

（一）荷載工況及作用荷載值

工況一：自重+二恒+預(yù)應(yīng)力鋼束荷載+墩頂最大負(fù)彎矩（所對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力）

工況二：自重+二恒+預(yù)應(yīng)力鋼束荷載+墩頂最大剪力（所對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力）

從整體桿系模型中提取的內(nèi)力結(jié)果，其作用點(diǎn)在相應(yīng)截面的質(zhì)心處。

（二）零號(hào)塊應(yīng)力分析

在荷載工況1作用下，為清楚地顯示零號(hào)塊內(nèi)部的應(yīng)力情況，零號(hào)塊應(yīng)力云圖采取順橋向剖分的斷面顯示，如圖4、圖5所示。

圖4 主拉應(yīng)力云圖

圖5 主壓應(yīng)力云圖

由圖4可知，零號(hào)塊頂?shù)装搴透拱寮皺M隔板處應(yīng)力水平不高，比較均勻，絕大部分主拉應(yīng)力值小于0.2MPa，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

由圖5可知，零號(hào)塊主壓應(yīng)力除橫隔板處應(yīng)力水平較低外，其余部分應(yīng)力分布比較均勻，主壓應(yīng)力幅值為5.3MPa，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

當(dāng)墩梁剛度比以0.25、0.5、1、2、4的倍率變化時(shí)，分析不同墩梁剛度比對(duì)零號(hào)塊主應(yīng)力幅值的影響規(guī)律，分析中通過改變材料的彈性模量來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)的調(diào)整，不改變結(jié)構(gòu)的截面特性。

由圖6可知，相應(yīng)的主應(yīng)力幅值均隨著墩梁剛度比的增大而減小，在墩梁剛度比小于1的范圍內(nèi)變化比較劇烈，大于1之后漸趨平緩，且幅度相對(duì)較小，說明墩梁剛度比對(duì)零號(hào)塊主應(yīng)力的應(yīng)力幅值影響不明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)可予以適當(dāng)考慮。

圖6 墩梁剛度比對(duì)主應(yīng)力幅值的影響

（三）墩頂截面剪力滯效應(yīng)分析

在工況2作用下，首先利用Midas/FEA求得頂板的實(shí)際法向應(yīng)力，然后利用橋梁通用有限元軟件Midas/Civil得到墩頂截面頂板的正應(yīng)力，剪力滯系數(shù)。

根據(jù)公式計(jì)算得到墩頂斷面頂板25個(gè)計(jì)算控制點(diǎn)的值。

由計(jì)算可知，墩頂斷面頂板剪力滯效應(yīng)比較顯著，斷面外側(cè)的值相對(duì)較小，其范圍為0.89～1.37，相比較而言，梁內(nèi)側(cè)的剪力滯系數(shù)很大，剪力滯系數(shù)范圍為2.09～2.59。由此可見，混凝土箱形截面梁的剪力滯效應(yīng)在高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)彎橋這種橋型中比較顯著，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)足夠重視，以免低估應(yīng)力幅值造成箱梁的強(qiáng)度破壞。

當(dāng)墩梁剛度比以0.25、0.5、1、2、4的倍率變化時(shí)，截面內(nèi)外側(cè)值的最大值隨著墩梁剛度比的變化如圖7所示。

圖7 墩梁剛度比對(duì)剪力滯系數(shù)幅值的影響

由圖7可知，截面外側(cè)剪力滯系數(shù)幅值與墩梁剛度比成正相關(guān)，而內(nèi)側(cè)的變化趨勢(shì)則剛好相反，隨著墩梁剛度比的變大而變小，且截面內(nèi)側(cè)的幅值始終大于截面外側(cè)的幅值。

三、結(jié)語(yǔ)

塢家灣大橋主橋靜力分析計(jì)算結(jié)果表明，在荷載工況1作用下，零號(hào)塊主拉應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力水平比較低，滿足規(guī)范要求，且有很大的安全儲(chǔ)備；在荷載工況2作用下，零號(hào)塊墩頂截面剪力滯效應(yīng)比較顯著，相應(yīng)的最大值為2.59。因此，大跨徑箱室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮應(yīng)力不均勻的不利影響。

隨著墩梁剛度比的增大，零號(hào)塊第一、第三主壓應(yīng)力幅值均慢慢減小，變化速率先快后慢，總之應(yīng)力水平變化不是很大，說明墩梁剛度比對(duì)零號(hào)塊主應(yīng)力水平影響較小，在設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)考慮。

隨著墩梁剛度比的增大，截面外側(cè)剪力滯系數(shù)幅值慢慢變大，截面內(nèi)側(cè)幅值則慢慢減小，且變化區(qū)間均比較寬，說明墩梁不同的剛度比對(duì)零號(hào)塊墩頂截面處的剪力滯效應(yīng)影響比較顯著，在設(shè)計(jì)同類型橋梁時(shí)應(yīng)給予重視。

合適的墩梁剛度比不僅能夠很大程度地改善梁體的內(nèi)力分布情況，還能充分發(fā)揮混凝土的受壓性能和鋼筋的受拉性能，其相關(guān)研究仍有很大的發(fā)展和應(yīng)用空間。