双向预应力鱼腹箱梁应力分配的空间网格分析

李 晓 龙

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引言

丽泽路(西三环—西二环)改扩建工程，西起西三环丽泽桥东侧，东至西二环菜户营桥西侧，道路全长约2.07 km。道路规划为城市快速路，主路设计速度为80 km/h。道路红线宽度80 m，局部段红线宽110 m。丽泽路作为丽泽商务区中部贯穿核心区的一条重要的东西向城市快速路，对高架桥的景观效果有着极高的要求。丽泽路高架桥与地下空间为一体化建设，桥梁基础需穿过地下空间结构设置，桥墩的造型应在满足景观效果的前提下尽量减少占用地下空间的建筑面积。上部结构采用鱼腹式箱梁，下部结构采用花瓶墩的景观造型。

上部结构型式为35+35=70 m现浇预应力混凝土箱梁。 梁高2.5 m，梁宽26.76 m，铺装为10 cm厚沥青混凝土铺装及8 cm厚混凝土铺装。

对于景观桥梁，箱梁箱室大小差异较大，各片腹板分配的恒载和活载并不均匀。现行桥规中，并没有规定如何考虑箱梁桥的薄壁效应以及各道腹板沿桥横向的荷载分配。对此，设计人员普遍采用偏载系数(取1.15与1.05)和横向分布系数的方法进行估算取值。对剪力滞效应的考虑也仅是采用有效分布宽度的概念进行估算。然而，这些估算在许多情况下并不适用，导致一些计算结果“包不住”，最后导致了桥梁在设计中的一些不足。

为了准确模拟出箱梁的剪力滞效应、薄壁效应与各腹板的受力分配，本文进行了精细化计算分析。

1 计算模型

过去很长一段时间，桥梁的精细化设计一直被实体分析方法所主导，但由于实体分析难以有效对接到预应力、徐变以及活载等桥梁专业的问题，同时建模的效率及后处理庞大的数据量也局限了这种方法在桥梁领域的应用。

梁格法是工程常用的计算方法，传统的梁格法采用汉勃利(hambly)梁格，汉勃利梁格的基本原则是各纵梁均带腹板、中性轴高度一致、刚度等效，由于截面无法划分很细，混凝土箱梁剪力滞效应的计算精度无法保证。对于桥梁结构分析中的一些空间问题，例如横梁、盖梁的分析以及沿桥横向的支座反力计算，汉勃利梁格无法有效、准确的解决。

为了保证计算精度，且由于本箱梁边箱室较为特殊，采用传统的汉勃利(hambly)梁格无法划分，因此选用慧加软件进行空间网格计算(见图1)。

用WISEPLUS慧加软件建立空间网格有限元模型(见图2)，模拟施工过程及使用过程中的各种工况。慧加结构分析与设计软件(WISEPLUS)能进行实用精细化分析，能有效的考虑箱梁桥的薄壁效应、剪力滞效应以及各道腹板的受力分配。

采用实用精细化分析结合活载的影响面加载，实现桥梁的纵、横向构件统一分析与设计。从而避免将这些结构与构件单独分析所造成的麻烦与误差。

2 施工阶段箱梁应力分配

2.1 现浇箱梁并张拉全部预应力

预应力钢绞线的标准强度为1 860.0 MPa。边腹板和中腹板通长钢束为9根18×7φ5高强低松弛预应力钢绞线(见图3)。

端横梁、隔板、中横梁分别设置10根、4根、18根10×7φ5高强低松弛预应力钢绞线，张拉控制应力均为1 339 MPa。

计算结果显示，跨中位置各片腹板应力较为均匀，边箱室及翼缘应力都比较均匀。中墩处有明显差异：中腹板(5,7梁)墩顶上缘压应力为8.2 MPa，边腹板(3,9梁)墩顶上缘压应力为6.5 MPa，说明边腹板承担的荷载相对中腹板略大；边箱室(2,10梁)和翼缘(1,11梁)的压应力分别为6.2 MPa和9.0 MPa，边箱室和翼缘的压应力并没有比边腹板少，甚至翼缘压应力储备稍大。这是由于横向预应力对边箱室和翼缘的纵向应力产生了有利影响。

2.2 施工桥面铺装及护栏

3 持久状况承载能力极限状态验算结果

正截面抗弯承载能力验算见图4，图5。

满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第5.1.5条验算要求。

4 持久状况正常使用极限状态验算结果

持久状况正常使用极限状态验算结果见图6，图7。

《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:边腹板短期效应组合σst-σpc=1.1 MPa(拉)<0.7ftk=1.86 MPa，满足规范要求。中腹板短期效应组合σst-σpc= 0.9 MPa(压)，满足规范要求。边腹板长期效应组合σst-σpc=1.0 MPa (压)， 满足规范要求。中腹板长期效应组合σst-σpc=2.1 MPa (压)， 满足规范要求。

短期组合下，上缘应力分布较为均匀，边箱室上缘应力稍大约0.8 MPa拉应力，下缘由于截面高度不同，所以应力区别较大，但是局部最大拉应力1.0 MPa，均满足要求。

长期组合下，上缘应力分布较为均匀，边箱室上缘压应力稍小，约1 MPa压应力，下缘由于截面高度不同，所以应力区别较大，未出现拉应力，均满足要求。

5 持久状况构件应力验算结果

持久状况构件应力验算见图8，图9。

弹性组合下，上缘应力分布较为均匀，最大压应力14.4 MPa；下缘由于截面高度不同，所以应力区别较大，翼缘压应力最大13.5 MPa，均小于16.2 MPa,满足要求。

6 结语

本文采用实用精细化分析结合活载的影响面加载，实现桥梁的纵、横向构件统一分析与设计。从而避免将这些结构与构件单独分析所造成的麻烦与误差。经过计算分析得出主要结论如下：

由于箱梁存在剪力滞效应、薄壁效应，且横纵向预应力对主梁双方向的应力相互影响，各腹板的受力分配不同，此类桥梁应进行精细化分析。

鱼腹箱梁边腹板承担的荷载相对中腹板略大；边箱室和翼缘的压应力并没有比边腹板少，甚至翼缘压应力储备稍大，这是由于横向预应力对边箱室和翼缘的纵向应力产生了有利影响。

参考文献：

[1] JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2] 上海市政工程设计研究总院.桥梁设计工程师手册[M].北京：人民交通出版社，2007.