晋中市经四路涧河桥力学性能分析

吴红升

(太原市市政工程设计研究院，山西太原 030002)

1 工程概况

正在修建的晋中市榆次区经四路涧河桥位于晋中市涧河上，是跨榆次区涧河的重点景观桥梁工程。该桥上部结构为3×28 m变截面钢筋混凝土连续箱梁，外装成拱形;下部结构为重力式桥台，柱式桥墩，配承台桩基。桥梁跨径布置为(28+28+28)m，标准桥面段宽度为52 m(5.5 m人行道+6 m非机动车道+3.5 m隔离带+22 m机动车道+3.5 m隔离带+6 m非机动车道+5.5 m人行道)，双向六车道。主梁采用分离式双主箱断面，为钢筋混凝土箱形结构，梁底设置二次抛物线，支点处梁高4.0 m，跨中梁高1.25 m，箱梁为单箱多室直腹板结构，单幅箱梁梁顶宽25.84 m(未含外装饰)，箱梁底宽25.84 m，不设置悬臂，箱梁每跨跨中设横隔板。箱梁底板厚度随梁高变化，自支点截面向跨中截面逐渐减小，墩顶梁高4.0 m，顶板厚25 cm，底板厚127.5 cm，边腹板厚70 cm，中腹板厚70 cm;跨中梁高1.25 m，底板厚25 cm，顶板厚25 cm，边腹板厚50 cm，中腹板厚50 cm，箱梁采用C40混凝土。桥梁下部采用柱式桥墩、重力式桥台，基础采用承台配桩基，桩基础均按摩擦桩设计。桥台、桥墩桩基直径均为1.5 m，承台高度2.0 m。桥墩直径1.5 m，台厚度2.2 m。由于该桥型受力复杂，且空间效应明显，为了确保桥梁安全，需要对该桥建立空间模型并进行空间力学性能分析。

2 有限元模型的建立

采用有限元软件MIDAS/Civil进行建模，在桥梁有限元建模中，结合类似桥梁的建模经验，主梁采用空间梁单元模拟;墩顶横梁和跨中横隔板折算成荷载的形式施加在主梁上;主梁纵向钢筋、抗剪箍筋和弯起钢筋(弯起角度45°)均按照设计图纸上进行输入。墩顶支座利用有限元软件MIDAS/Civil中的边界条件弹性连接进行模拟，按照抗震支座的实际刚度进行输入，横桥向一幅桥设置6个支座，间距为4.654 m。桥梁空间有限元计算模型如图1～图3所示(X为纵桥向，Y为横桥向，Z为竖桥向)。材料常数根据桥梁设计规范确定。

根据桥梁所处的环境和设计标准，荷载的施加均按照实际受力情况和桥梁规范规定进行恒载和移动荷载的施加。

图1 空间计算模型

图2 墩顶模型断面图

图3 跨中模型断面图

经四路涧河桥施工采用满堂支架施工，先在支架上浇筑混凝土，进行养护，最后进行桥面施工，施工阶段的划分见表1。

表1 施工阶段划分

3 计算结果及其分析

3.1 荷载工况

为了对晋中市经四路涧河桥进行力学性能分析，考虑在施工阶段和成桥阶段下桥梁的受力状态。根据施工阶段和成桥后荷载工况，计算了该桥的静态力学性能，分析计算结果，可以得出以下结论。

3.2 施工阶段

1)主梁受力分析:主梁轴力和弯矩关于该桥中跨近似对称，剪力关于中跨大致反对称，限于篇幅，本文仅给出弯矩图，如图4所示，弯矩图在中跨处均为负弯矩，没有正弯矩出现，且墩顶负弯矩较大，这是由于该桥跨径布置相等且自重较大，以至于中跨均为负弯矩;在靠近墩顶处，剪力变大且有突变，在跨中剪力较小，符合连续梁桥的一般规律。根据规范JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，第7.2.4和7.2.5的规定，需进行施工阶段的应力验算。对于受压区混凝土边缘压应力和箱梁混凝土中性轴主拉应力的验算，在整个施工过程中，全桥最大法向压应力出现在施工第三阶段，单元最大法向压应力为8.2 MPa，箱梁混凝土中性轴主拉应力为0.993 MPa，满足桥梁规范要求。

图4 经四路涧河桥施工阶段弯矩图

2)主梁整体变形分析:主梁整体变形均以竖向位移为主(如图5所示)，在第三施工阶段，主梁中跨并没有出现下挠，反而向上变形，竖直向上最大位移出现在跨中，其数值为18 mm。边跨有竖直向下的变形，其竖直向下最大位移出现在接近跨中的位置，其值为36 mm。边跨和中跨变形均接近二次抛物线形式，为保证桥梁在施工过程中的安全性［1］，施工时要预压支架，根据主梁变形情况调整主梁预拱度，以保证成桥后主梁线形达到合理的状态。

图5 经四路涧河桥施工阶段位移图

3)支座反力分析:支座反力在桥台和桥墩处分布比较均匀，在桥台处支座反力最大值为2 015 kN，在桥墩处支座反力最大值为5 691 kN，桥墩台受力情况较好。

3.3 成桥阶段

1)主梁受力分析:梁轴力包络图和弯矩包络图(如图6所示)，关于该桥中跨近似对称，剪力包络图关于中跨大致反对称。成桥后的弯矩包络图在中跨跨中存在较小的正弯矩，在墩顶处存在较大的负弯矩，由于该桥等跨径布置且自重较大，车道荷载和人群荷载影响相对恒载影响较小，以致于中跨弯矩包络图中负弯矩影响较大;在靠近墩顶处，剪力包络图中剪力变大且有突变，在跨中剪力包络图中剪力较小，符合连续梁桥的一般规律。根据桥涵规范相关的规定，对该桥需进行使用阶段正截面抗弯强度验算，根据箱梁最大、最小弯矩包络图可知，最大正弯矩为74 216 kN·m(截面内力)＜86 592 kN·m(截面抗力)，最大负弯矩为161 421 kN·m(截面内力)＜200 424 kN·m(截面抗力)，所有截面的内力均小于截面的抗力。根据规范JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，第5.2.6～5.2.11的规定，需进行使用阶段斜截面抗剪验算，根据剪力包络图可知，全桥最大剪力为26 733 kN＜54 894 kN;同时根据计算结果，所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。对箱梁进行裂缝宽度验算，根据顶板与底板单元的上下缘的裂缝分布可知，最大裂缝宽度为0.17 mm＜0.2 mm，满足规范要求。

2)主梁整体变形分析:全桥以竖向位移为主，主梁中跨在永久荷载和可变荷载作用下并没有出现下挠，反而向上变形，竖直向上最大位移出现在跨中，其数值为10 mm;边跨有竖直向下的变形，其竖直向下最大位移出现在接近跨中的位置，其值为23 mm。沿纵桥向位移最大值为21 mm，横桥向位移可以忽略不计。根据桥涵规范，在消除结构自重产生的长期挠度后梁式桥主梁的最大挠度处不应超过计算跨径的1/600［2］，即最大值不应超过46 mm，桥梁变形满足规范要求。边跨和中跨变形均接近二次抛物线形式，要根据主梁变形情况调整主梁预拱度，以保证成桥后主梁线形达到合理的状态，同时要注意中跨主梁变形的情况，由于该桥跨径边跨和中跨布置均相等，以至于中跨变形向上，在施工时要引起注意。

图6 经四路涧河桥成桥阶段弯矩包络图

3)支座反力分析:支座反力在桥台和桥墩处分布比较均匀，由于移动荷载的作用，在靠近道路中心线处桥墩台支座反力较大，而远离道路中心线处支座反力较小，墩顶处支座反力最大值为6 768 kN，最小值为6 355 kN，桥台处支座反力最大值为2 674 kN，最小值为2 371 kN。在选择支座和计算下部结构时，要根据不同的支座反力合理的选择支座类型和桩基长度。

4 结语

针对晋中市榆次区经四路涧河桥的实际特点，使用有限元软件MIDAS/Civil对该桥进行静态力学性能分析，根据施工阶段和成桥阶段桥梁的计算结果可知，主梁受力和变形均满足规范规定的允许值，主梁线形控制较好，该桥梁在汽车荷载作用下位移满足设计规范正常使用状态下的变形要求。

本文计算结果已为经四路涧河桥设计复核提供基础性数据。

［1］贺栓海.桥梁结构理论与计算方法［M］.北京:人民交通出版社，2003.

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