宽幅城市高架箱梁桥结构设计

宽幅城市高架箱梁桥结构设计

李仁杰 孙朝辉

林同棪国际工程咨询（中国）有限公司武汉分公司 湖北武汉 430000

摘要：本文以某城市高架桥桥宽33.5m、支座间距8.5m的单箱六室宽幅箱梁为研究对象，建立梁格模型及横梁杆系模型，重点对该类桥型的空间受力特点及横梁受力特点进行分析研究。结果表明：宽幅箱梁空间受力非常明显，偏载效应远大于经验值1.15，在采用杆系模型分析宽幅箱梁时，应适当提高偏载增大系数，并建立空间梁格模型进行校核；在进行横梁受力分析时，应按施工阶段加载，分批张拉横梁钢束。

关键词：宽幅箱梁；双支承；空间效应；分批张拉

引言

随着经济的迅速发展，城市道路交通的压力越来越大。为了缓解这种压力，越来越多的六车道甚至八车道城市高架桥开始出现。相较于T梁、小箱梁等，单箱多室箱梁桥具有整体性好，抗扭刚度大，耐久性良好等优点，因而被广泛应用到城市高架桥中。

双支承宽幅箱梁桥下可利用空间大，能较好地满足桥下城市道路或辅道布置的功能要求，可减小拆迁量且节约用地^[1]。同时，较单支承体系具有良好的抗倾覆性能及受力性能^[2]。因此，分析双支承宽幅箱梁受力特点，对该类桥梁的设计具有一定的参考价值。

1工程概况

本文以某城市高架桥为研究对象，该桥为（4×30）m单箱六室的等高连续箱梁，梁高2.1m，支座间距为8.5m。顶板桥面宽度33.5m，标准截面两侧悬臂板长各3.5m，悬臂板端部厚0.22m，根部厚0.65m。顶板厚度0.26m，支点处加厚至0.56m；底板厚度0.22m，支点处加厚至0.67m；腹板厚度50cm～95cm。端横梁厚度为2.1m，中横梁厚度为3m。主梁按A类构件设计。下部结构桥墩采用H形花瓶墩。横断面布置如下：

图1标准横断面布置图

2主梁受力分析

本桥的宽跨比较大（B/L>1/2），不属于“窄桥”范围，空间受力特点明显，分别建立单梁模型、梁格模型及横梁模型进行受力分析。基于剪力—柔性梁格理论，采用midas civil建立主梁梁格模型，主梁7道腹板离散成7片纵梁，如下图所示。翼缘通过虚拟纵梁及横梁模拟，限于篇幅，详细建模过程本文不表，建模方法可参阅文献[3]。由于截面关于中心对称，因此仅取腹板1~4进行受力分析。

图2梁格划分示意

为了对工程设计提供参考，本文从以下两个方面对宽幅城市高架箱梁桥的受力特点展开研究：（1）活载作用下的偏载效应；（2）横梁受力特点分析。

2.1偏载效应分析

2.1.1加载工况

为了研究偏载作用下各腹板位置受力的不均匀特性，分两种活载工况，按现行规范^[4]进行加载：（1）外侧偏载；（2）内侧偏载。加载布置图见下图：

图3加载布置图

2.1.2计算结果

通过有限元分析计算，可得出在活载作用下支点上顶缘以及跨中底缘的应力，具体结果见图4~7：

图4外侧偏载工况下顶缘最大拉应力图 图5外侧偏载工况下底缘最大拉应力图

图6内侧偏载工况下顶缘最大拉应力图 图7内侧偏载工况下底缘最大拉应力图

表1活载作用下最大拉应力（单位：Mpa）

注：表中平均应力取各腹板应力平均值，偏载系数等于平均应力与杆系模型应力的比值。

将图4~7中结果汇总于表1。从图表中可以看出，外侧偏载时，支点上缘及跨中底缘的应力均呈现出由梁中心向外侧逐渐增大的特点，而内侧偏载时，则呈现出1号、4号腹板应力较大，2、3号腹板应力较小的特点。

混凝土桥梁空间效应分析通常采用杆系模型+简化参数分析，汽车荷载的横向分布和箱梁薄壁效应通过偏载增大系数（一般为1.15）来考虑^[5]。由表1可以得出，支点处偏载系数达到1.47，而跨中处偏载系数达到1.18，均大于经验值。因此，在采用杆系模型分析宽幅箱梁时，应适当提高偏载增大系数，并建立空间梁格模型进行校核。

2.2横梁受力分析

对于宽幅现浇箱梁，除保证其纵向受力性能外，横梁受力同样不能忽视。本桥支座间距仅为8.5m，挑臂长度达到12.5m，支点位置承受很大的负弯矩。横梁厚度3.0m，高度2.1m。将横梁简化为杆系结构，采用平面杆系有限元计算程序（桥梁博士3.6）进行大悬臂横梁（纵向模型中2#墩中横梁）计算。

2.2.1横梁计算加载模式

为了真实模拟横梁的受力状况，划分以下5个施工阶段进行加载：（1）搭设模板支架，浇筑主梁混凝土，待混凝土强度达到设计要求后，张拉横梁第一批次钢束并灌浆，此阶段横梁仅承受自重荷载；（2）纵向钢束张拉及灌浆，纵梁脱模，此阶段施加纵向一期恒载；（3）张拉横梁第二批次钢束并灌浆；（4）施工桥面铺装及栏杆等，此阶段施加二期恒载；（5）收缩徐变。

桥梁的纵向荷载通过腹板以及顶底板传递至支点横梁。从纵向模型中分阶段提取反力作用于横梁。其中腹板承受80%恒载反力，以集中力的形式平均分配给各个腹板；顶底板承受20%恒载反力，以均布荷载的形式作用于横梁全宽。提取出单车道荷载反力，以车辆横向加载的计算方式在活载有效区域内自动布载。加载图示如下：

图8横梁加载图示

2.2.2横梁钢束及钢筋布置

由于横梁悬臂很大，支点位置承受很大的负弯矩，需布置预应力钢束，且应考虑横梁范围内的横向预应力。横梁按A类构件进行设计，经多次试算，得出大挑臂横梁的钢束布置及钢筋用量。

横梁钢筋材质均为HRB400。主筋采用C28mm@10cm，顶缘布置双排钢筋，底缘布置一层钢筋；箍筋采用C16mm@10cm，12肢箍；横梁预应力钢束N1、N2均采用15-19的预应力钢束，抗拉标准值f_pk=1860Mpa，张拉控制应力为0.75f_pk=1395Mpa，布置束数分别为7束、7束。桥面板横向预应力规格为15-4，抗拉标准值f_pk1860Mpa，张拉控制应力为0.73f_pk=1358Mpa，布置间距为50cm。横梁范围内钢束及预应力布置如下：

图9钢束束形（单位：cm）

图10钢束及钢筋布置示意图（单位：cm）

2.2.3横梁应力验算结果

横梁在第一阶段仅承受自重荷载，若钢束采用一次张拉，则会在悬臂段下缘产生过大下缘产生较大拉应力，对结构受力很不利。因此，需对横梁钢束进行分批次张拉。

施工阶段，最大压应力为9.42Mpa，最小压应力为-1.59Mpa。正常使用阶段，承载能力极限状态基本组合下，支点处最大负弯矩为-113100kN·m，对应截面抗力为-119286kN·m，斜截面最大剪力为-18455kN，对应截面抗力为-19105kN。频遇组合下，最小正应力为-0.357MPa，最大主拉应力-1.1Mpa；准永久组合下，最小正应力为0.46MPa。均出现在支点上缘。持久状况最大正应力及最大主压应力均为12.7MPa，出现在支点下缘。均满足规范要求。

3结论

纵向模型中，支点处偏载系数达到1.47，而跨中处偏载系数达到1.18，远大于经验值。在采用杆系模型分析宽幅箱梁时，应适当提高偏载增大系数，并建立空间梁格模型进行校核。横梁钢束张拉应考虑到不同施工阶段的横梁受力。在第一、二阶段，仅承受自重荷载及纵向传来的恒载，钢束一次张拉完成会使悬臂段下缘出现较大拉应力，对结构受力非常不利，故只需张拉部分钢束，仅供横梁抵抗恒荷载即可。

参考文献

[1]赵友平,唐方清.东风大道高架桥桥型方案研究[J].中外公路,2015,35(4):111-115.

[2]汤怀胜.双支承宽幅箱梁城市高架桥受力分析[J].工程建设标准化,2014,000(011):101-102.

[3]E.C.汉勃利著,郭文辉译.桥梁上部构造性能[M].人民交通出版社,1982.

[4]公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2015)[S].人民交通出版社,2015.

[5]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 3362-2018)[S].人民交通出版社,2018.