斜交转正交异形箱梁设计

韩 锋

（山西省交通科学研究院，山西 太原030006）

1 概述

随着高速公路网的密集化，拟建主线往往上跨或下穿被交路，且主线与被交路斜交的情况时有发生。设计希望大多数结构都采用正交形式，使结构受力更明确、桥梁整体造型更简洁、与周围环境更协调、造价也更为经济[1]。当桥梁跨越各种斜交角度的道路、河流、管线等必须斜置时，因桥梁较长全桥采用斜置布置不尽合理，特别是斜交角很大时，显得杂乱而繁冗，美观性差，而采用正交加大跨径的方式往往也存在诸多不足[2]。通过调整梁长，设计出装配式异形跨桥梁，能够将斜交桥改为正交桥，因而斜转正桥梁给工程设计提供了一个思路。

2 工程概况

庙背大桥位于汕（头）湛（江）高速公路云浮至湛江段及支线工程第TJ1合同段，为跨越广茂铁路和新兴江而设，跨径组合及布置受广茂铁路和新兴江防洪控制。大桥采用整体式路基分幅设计，左幅上部结构采用（3×30）m先简支后结构连续小箱梁+（20+9×30）m先简支后桥面连续小箱梁；右幅上部结构采用（3×30）m先简支后结构连续小箱梁+（30+2×25+7×30）m先简支后桥面连续预应力小箱梁，下部结构采用柱式墩台，全桥最大墩高为22.2 m，基础采用灌注桩基础。

大桥平面位于直线段内，左、右幅第1～3孔采用斜交斜做，前右角度为55°，墩台采用径向偏转布置；其余桥孔为斜交正做，前右角度为90°，墩台采用径向布置；左、右幅第2孔为跨三茂铁路桥孔，与铁路的交叉角度为53.19°。第4孔为异形跨，为斜交斜做跨线桥和正交桥的过渡跨，一端为斜交，一端为正交，这种形式布梁方式在公路桥上较少见，本文对其单独计算研究。大桥桥位平面布置见图1所示。

图1 桥位平面布置见图

为了满足桥下净空不小于8.2 m的要求，且一联长度又不至于过短，将左右幅第4孔确定为异形跨。异形跨采用斜转正形成梯形平面结构，采用与正交跨一致的装配式组合箱梁结构，并采用先简支后桥面连续形式。异形跨最长边30 m，最短边20 m，梁高及断面与正交跨箱梁一致，仅跨径方向要调整梁长。

3 结构计算

3.1 梁长计算

异形跨平面位于直线段上，小桩号侧前右夹角55°，大桩号侧前右夹角90°，左右幅各片梁梁长均有差异，由短到长依次为主梁1、主梁2、主梁3、主梁4。表1列出了各片梁的理论长度与预制长度，可以看出最长的梁为右幅1号梁，预制梁长28.581 m，最短梁为左幅4号梁，预制梁长为21.241 m。

表1 异形跨梁长参数表mm

图2 异形跨主梁平面布置图

3.2 荷载横向分布系数计算

异形跨为简支跨，可采用单梁模型来进行计算，但其一端为斜交，另一端为正交，各梁的长度不一致，各预制梁均需单独进行计算，整体计算所用单梁模型如图3a。为求得各梁横向分布系数，建立了整桥实体有限元模型如图3b，其中实体单元35 568个，节点47 714个，其断面网格划分如图3c所示。

图3 计算采用的模型

3.2.1 加载工况（实体模型）

为求得各梁的横向分布系数，按照该梁受力最大的原则进行车道荷载的横向布置[3]，如图4所示。由于各梁长度不同，将所加荷载分为集中力和均布力工况两种情况，其中集中力取值为100 kN，作用于各梁跨中；纵桥向均布力取值为5 kN/m，通过刚度很小的虚拟梁进行加载。

图4 实体模型荷载加载工况（单位：cm）

3.2.2 横向分布系数

按照各主梁跨中下缘应力分布情况，确定出各主梁的横向分布系数，见表2、表3，其中1号梁为短边梁，4号梁为长边梁，2号梁为短中梁，3号梁为长中梁。由表3可见1号梁横向分布系数最大值为0.77，2号梁为 0.68，3号梁为 0.68，4号梁为 0.73。可见，在其他条件相同的情况下，短边的荷载横向分布系数是大于长边的[4]。利用单梁模型进行整体计算时，可统一取边梁横向分布系数为0.8，中梁为0.7。

表2 利用集中力求得的横向分布系数

表3 利用均布力求得的横向分布系数

3.3 静力计算结果

3.3.1 主要材料及荷载取值

3.3.1.1 一期恒载

a）一期恒载材料密度取值 预应力混凝土26 kN/m3；钢筋混凝土26 kN/m3；沥青混凝土24 kN/m3；钢材 78.5 kN/m3。

b）混凝土收缩和徐变 按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）取值。

3.3.1.2 二期恒载

a）边梁分配的纵缝重1.62 kN/m；

由田间调查表（1）可见，处理前期发苗较慢，6月15日和29日调查较对照低0.49cm和2.2cm;而7月11日调查看较对照高出21.1cm，说明后期长势强，说明与秸秆腐熟发挥肥效有关。另有通过对照与处理地上部植株干鲜重称量来看，对照6月15日和29日测鲜重和干重分别高于处理，鲜重高 13.2g和17.75g，干重高 0.29g和1.79g；而到 7月11日测量处理的干重和鲜重均高于对照；干重高0.4g，鲜重高1.8g。

b）中梁分配的纵缝重3.24 kN/m；

c）边梁分配的调平层重6.97 kN/m；

d）中梁分配的调平层重7.97 kN/m；

e）边梁分配的铺装重7.08 kN/m；中梁分配的铺装重8.1 kN/m；

f）边梁承担的栏杆重13 kN/m。

3.3.1.3 预应力荷载

3.3.1.4 温度梯度

按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）施加，其中T1=14℃，T2=5℃。

3.3.1.5 设计活载

按照《广东省高速公路工程设计标准化指南》（送审稿-中交第一公路勘察设计研究院有限公司-2014年3月）第4.3.1.2条第4款中指出：30 m跨径以下车道荷载效应放大1.285倍（1.8/1.4=1.285）。

3.3.2 箱梁静力计算

箱梁按照A类预应力结构设计，采用Midas 2015有限元程序考虑多种工况组合进行计算与校核，进行了成桥状态下恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、支座强迫位移、风荷载、温度变化等作用的计算，计算结果均满足规范要求。

表4 箱梁主要验算指标表MPa

3.3.3 抗弯承载力计算

主梁抗弯验算通过PSC验算，主筋布置按照图纸输入，且支点断面加强筋范围不包括锚固长度，图5为主梁1和主梁4的抗弯承载力包络图，可以看出各截面均满足现行规范要求。

图5 边梁抗弯承载力包络图（单位：kN·m）

3.3.4 抗剪承载力计算

主梁抗剪验算通过PSC验算，加密区箍筋为4φ10@100 mm，非加密区箍筋为4φ10@200 mm，受拉钢筋距截面边缘距离as为45 mm，截面有效高度h0=1 555 mm，图6为主梁1和主梁4的抗剪承载力包络图，可见各截面均满足现行规范要求。

4 结语

本文通过一座预制斜转正桥梁的结构计算分析，阐述预制斜转正桥梁的受力特征，利用实体有限元模型得出了小箱梁荷载横向分布系数，通过单梁模型进行结构静力计算，验算结果表明本桥各验算指标均满足现行规范要求，结构设计安全、合理。本桥的设计对于预制斜转正类型桥梁的结构分析及设计优化具有一定借鉴作用。

图6 边梁抗剪承载力包络图（单位：kN）