基于预应力混凝土偏心桥墩的城市互通匝道桥梁动力特性研究及下部结构受力分析

黄梁

（南昌铁路勘测设计院有限责任公司，南昌330002）

1 引言

随着我国城市化的发展需要，城市互通匝道变得越来越普遍，互通匝道桥梁是为了实现主线桥与桥下道路的交通贯通功能，其主要特点有：（1）为了保证不同方向的多条道路在短距离范围内连接，互通匝道桥的纵坡一般都很大；（2）为了保证多个交叉方向在短距离范围内交通汇集的要求，互通匝道桥的平面半径一般都很小；（3）为了保证桥下道路交通功能及用地要求，互通匝道桥的下部结构一般会比较纤细甚至异形[1]。本文主要针对互通匝道桥的第3个特点，结合有限元计算软件，对设置了偏心桥墩的匝道桥的工程实例进行了研究分析。

2 工程实例

2.1 工程概况

鹰潭某城市快速路项目中桥梁工程共分为2个部分：1座主线桥和4座互通匝道桥，其中匝道桥共3联，孔跨布置为1-（4×20）m+1-（4×25）m+1-（4×20）m，桥梁全长266m，桥面宽度由10.5m渐变至9.0m，平面最小圆曲线R=160m。桥梁上部用现浇普通钢筋混凝土连续箱梁，下部桥墩采用花瓶型板式及方形柱式墩身，钻孔灌注桩基础。桥梁主要技术指标：（1）设计行车速度：30km/h；（2）桥梁荷载标准：城-A级；（3）设计安全等级：Ⅰ级；（4）地震烈度：抗震设防烈度6度，按7度采取抗震构造措施。

本桥第二联孔跨布置为4×25m，共设置5个桥墩。全桥除了6号花瓶式偏心桥墩与上部箱梁固结连接，其余桥墩均采用多向或单向球型支座。桥型布置图及偏心桥墩立面图如图1所示。

图1互通匝道桥型布置图及偏心桥墩立面图

2.2 动力特性研究

2.2.1 有限元模型

本文采用大型通用有限元软件Midas Civil建立了匝道桥的有限元模型[2]，该模型采用单梁式模型进行模拟，如图2所示。建模过程中没有考虑桥面铺装的抗弯刚度，桥面铺装及桥面附属设施等均只考虑其重量。空间有限元模型将全桥一共离散为212个节点，201个单元，均为梁单元213个。

图2互通匝道桥有限元模型

2.2.2 动力特性分析

利用有限元软件Midas Civil中，采用Ritz向量法进行模态分析，得到了匝道桥匝道桥的前四阶的振型频率值。根据动力特性计算结果可知，由于本桥设置了固定墩，虽然有偏心，但该桥的纵向刚度依然很大，第一阶振型为主梁反对称竖弯，自振频率为6.0623Hz，固有频率高，自振周期低，符合该体系桥梁的特征。

2.2.3 稳定性分析

稳定计算采用第一类线弹性稳定计算方法，将稳定问题转化为求方程的最小特征值问题。通过全桥有限元模型进行全桥在恒载和全桥布活载状态下的结构稳定性分析，得到全桥在恒载和活载状态下一阶屈曲模态，最小稳定系数为23.19，该状态为主梁竖弯失稳，满足规范要求。

2.3 偏心桥墩受力分析

2.3.1 偏心桥墩构造

偏心桥墩墩顶宽4.7m，墩底宽3.5m，墩厚1.8m，墩高7.5m，承台尺寸8.0m×6.5m×2.5m，桩基采用4根φ1.5m钻孔灌注桩。受桥下道路交通因素限制，桥墩中心线较箱梁中心线偏移了3.0m，并采用墩梁固结。

桥墩靠偏心侧设置了5根19-φs15.2预应力钢绞线，fpk=1 860MPa，Ep=1.95×105MPa，锚下张拉控制应力σcon=1 395MPa。

2.3.2 承载能力计算

根据Midas Civil有限元模型计算结果，在承载能力极限状态下，墩底的最大轴力为15 791.4kN，弯矩为15 597.9kN，根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》5.3.1条进行轴心受压构件承载力计算，得γ0Nd=17 370.5kN＜118 825kN=0.9φ（fcdA+f′sdA′s），满足规范要求。先假定按大偏心受压构件计算，算得受压区高度x=1.03m，相对受压区高度ε=0.31＜0.4，判定为大偏心受压，根据规范5.3.4条进行偏心受压构件承载力计算，γ0Nde=45 163.3kN·m＜113 317kN·m=fcdbx（h0-x/2）+f′sdA′s（h0-a′s）+（f′pd-σ′p0）A′p（h0-a′p）满足规范要求。

根据规范6.3.1条要求，对于部分预应力A类构件，在荷载短期效应组合下应该满足σst－σpc≤0.7ftk，在荷载长期效应组合下应该满足σlt－σpc≤0，现将桥墩设置预应力钢束前后的应力。

其中：γ0为桥梁结构的重要性系数；Nd为轴向力组合设计值；φ为轴压构件稳定系数；fcd为混凝土轴心抗压强度设计值；A为构件毛截面面积；f′sd为普通钢筋抗压强度设计值；A′s为全部纵向钢筋的截面面积；b为截面宽；h0为截面受压较大边边缘至受拉边或受压较小边纵向钢筋合力点的距离；A′s为受压区普通钢筋合力点受压区边缘距离；f′pd为预应力钢筋抗压强度设计值；σ′p0为受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋的应力；A′p为受压区纵向预应力钢筋的截面；a′p为预应力钢筋合力点至受压区边缘的距离；σst、σl；t为在频遇组合、准永久组合下，构件抗裂边缘混凝土的法向拉应力；σpc为由预加力产生的混凝土法向预压应力。

根据对比计算结果可知，偏心桥墩在设置预应力钢束之前，桥墩偏心受拉侧混凝土拉应力很大，但在设置预应力钢束之后，受拉侧混凝土呈现为压应力，说明预应力钢束能有效提高偏心桥墩的承载能力。

3 结论

本文通过大型有限元软件Midas Civil建立了有限有模型，基于预应力偏心桥墩对城市互通匝道桥梁动力特性研究及下部结构受力分析，得到了以下结论：

1）该桥的自振频率和第一阶阵型周期分别为6.062 3Hz和0.164 9s，比未设置墩梁固结桥梁的基本振动周期小得多。这说明设置了固结偏心墩的桥梁结构依然属于刚性结构。

2）该桥的第一阶屈曲模态的系数为23.19，该状态为主梁竖向失稳，其表示的意思为当外部荷载达到成桥荷载的23倍时，发生失稳，符合规范要求。

3）该桥由于桥墩设置了偏心造成墩底内力增大，在桥墩受拉侧设置了预应力钢束的后，受拉侧混凝土呈现为压应力，结果均能满足规范要求。随着城市不断发展，城市互通匝道桥远期建设对下部用地要求会愈发的严格，下部结构采用预应力混凝土结构将会是一种必然趋势。