现浇预应力连续箱梁人行天桥受力性能分析

岳烨 YUE Ye

（云南省城乡规划设计研究院，昆明 650228）

0 引言

城市的发展过程中不可避免的会出现人车争道的现象，人行天桥的出现很好的缓解了这一矛盾，其功能主要是使得行人和车分离，保证道路交通的流畅性。大多数情况下，人行天桥采用的都是钢结构，因此自重较轻，施工吊装也较为简便，其根本优点是施工方便，不需要中断交通，对现有的交通干扰较小，若是跨径较为简单的天桥，但在考虑诸多因素，包括跨径不统一、造价问题等，有时也会采用不规则不等跨的现浇预应力连续箱梁作为上跨原有道路的天桥选择，此时就需要对其结构的整体受力进行分析[1]。

本文以某不等跨的现浇预应力混凝土连续箱梁人行天桥为例，其计算跨径为13.05m+26.45m。采用某有限元软件建立分析模型，在考虑自重、温度以及可变荷载作用下，对其整体的受力性能进行分析，包括其在持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状态以及桥梁整体的挠度和预拱度进行分析，并得出相关结论。计算结果表明，该桥的整体受力情况以及刚度都能够满足运营需求。但不等跨桥梁的受力特点较等跨桥梁复杂，在短跨处，其抗弯承载力富余度较大，在正常运营时，根据刚度分配力，长跨处的受力较为不安全，容易造成裂缝，因此设计人员在进行设计时，中跨位置处的预应力钢筋应该尽可能的远离中性轴，以保证中跨位置处承载能力，以期对类似工程提供参考[2]。

1 项目概况

该人行天桥，位于某街交叉口以东，上跨一条路宽25m的市政路，呈南北走向，连接A2、A3地块，桥长为56m，采用两跨13.05m+26.45m上跨某路，桥梁净宽为8m，两侧各设0.5m护栏区，主桥标准段横断面布置情况如下：0.5m（人行护栏）+8m(人行道)+0.5m（人行护栏）=9m，P03桥墩处包含两侧各0.55m装饰柱（含缝）后总宽为10.1m；上部主梁采用现浇预应力钢筋混凝土箱梁，梁高2.0m，单箱三室，主梁宽9m；梯道桥为浇钢筋混凝土板，板厚0.5m，标准段板宽全段10.2m。梯道梁采用现浇钢筋混凝土板；下部结构采用柱式墩和钻孔灌注桩基础。其立面图如图1所示。

图1 桥型布置图

2 有限元建模

2.1 荷载参数

2.1.1 永久作用

桥梁所受荷载除结构自重、活载外还考虑二期恒载（桥面铺装、墙式护栏、中间分隔带等）、温度、不均匀沉降、混凝土收缩、徐变等[3]。混凝土的容重26kN/m3，在进行midas计算时，结构的自重系数应为-26/25=-1.04。护栏和铺装各考虑为2kN/m。

2.1.2 温度作用

①整体升降温。体系整体升降温：体系温升20°，体系温降20°；②温度梯度。温度梯度：梯度温升14°/5.5°，梯度温降-7°/-2.25°。

2.1.3 可变作用

①人群荷载：根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》计算得出，q=3.2kPa；②支座沉降：考虑每个支座沉降5mm，自由组合最不利情况。

2.2 有限元模型

采用Midas/Civil2019版本，采用空间杆系对上部结构进行建模，本计算对前六联进行建模计算考，对各受力阶段进行内力、应力、位移等进行计算校核。并以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）为标准，模型计算按C50混凝土构件进行验算。计算参数取值如下：①相对湿度为70%；②墩台不均匀沉降考虑5mm；③体系整体均匀升温20℃，均匀降温为20℃；④竖向温度梯度模式按规范取用；⑤钢筋混凝土结构容重按26kN/m3计。

结构设计采用不同的软件进行分析；荷载横向分配系数采用刚性横梁法、刚接板（梁）法和梁格法三种计算方法进行对比分析，取大值控制设计[4]。桥台位置及其他位置均采用双支座设计。其有限元模型如图2所示。

图2 计算模型

3 结构分析

3.1 承载能力极限状态验算

3.1.1 正截面抗弯承载能力验算（图3）

图3 正截面抗弯承载能力验算结果

结论：按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第5.1.5条γos≤R验算，结构重要性系数×作用效应的组合设计最大值均小于等于构件承载力设计值，满足规范要求。正常运营状态下，不等跨桥梁的弯矩分布大致还是按照跨度和受力大小进行的，因此在对弯矩进行计算时，应重点考虑长跨度处以及长跨和短跨位置处的负弯矩区，这影响着桥梁结构钢筋的布置以及预应力钢筋位置的选择。其中相比于较长跨的受力而言，长跨位置处的弯矩荷载较大，因此在此处的预应力钢筋应尽量远离中性轴布置。

3.1.2 斜截面抗剪承载能力验算（图4）

图4 斜截面抗剪承载能力验算结果

结论：按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第5.1.5条验算，结构重要性系数×作用效应的组合设计最大值均小于构件承载力设计值，满足规范要求。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第5.2.9条进行抗剪截面验算，满足规范要求。

3.2 正常使用极限状态验算

3.2.1 结构抗裂验算（图5）

图5 斜截面抗裂验算结果

结论：按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第6.3.1-6.3.2条验算，正截面抗裂和斜截面抗裂均满足规范要求。在进行验算时，构件的裂缝验算是影响桥梁整体结构正常运营状态下较为重要的一环，若桥梁裂缝验算没有通过，将会极大程度上影响桥梁后续的运营，会出现下挠严重，裂缝宽度越来越大从而要进行二次加固，将会极大程度上提高造价。因此在设计过程中，应该较为保守的对裂缝宽度进行验算，以防止桥梁结构二次费用的增加。

3.2.2 挠度和预拱度

①主梁刚度计算。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第6.5.3条规定，受弯构件在适用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响，即按荷载短期效应组合和本规范6.5.2条规定的刚度计算的挠度值，乘以挠度长期增长系数nθ。C50混凝土挠度长期增长系数由直线内插取nθ=1.43。钢筋混凝土受弯构件按上述计算的长期挠度值，在消除自重产生的长期挠度后梁桥主梁的最大挠度处不应超过计算跨径的1/600[5]。

提取计算出边跨和中跨在恒载、活载作用下产生的挠度值见表1，活载的荷载工况系数：0.7，然后根据挠度长期增长系数计算预拱度，由于考虑到长跨位置处的跨径较大，因此在进行计算时，就考虑为最不利状态，仅进行长跨位置处预拱度的分析。

表1 挠度计算取值和系数表（主跨）

消除自重产生的长期挠度，荷载短期效应的可变作用考虑长期效应引起的挠度：1.43×0.7×0.732=0.73mm<26400/600=44mm。结构刚度满足要求。挠度病害是桥梁长期运营状态下不可避免的病害，因此在设计过程中，应考虑挠度的长期增长系数，以防止后续桥梁服役后产生下挠严重的问题，影响桥梁正常运营，以至于产生二次加固费用。

②预拱度设置。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）第6.5.5条规定，对预应力钢筋混凝土构件（1）当预应力产生的长期反拱值大于荷载频遇组合计算的长期挠度时，可不设预拱度。

考虑按荷载频遇效应组合（考虑长期）计算的长期挠度：9.95＞9.76mm，故可不设置预拱度。在考虑到为人行桥，且跨径不等，在计算长期挠度的时候，荷载对其的影响较大，本文中所阐述的方法，也可为其他类似工程提供参考。

4 结论

本文以某不等跨的现浇预应力混凝土连续箱梁人行天桥为例，其计算跨径为13.05m+26.45m。采用某有限元软件建立分析模型，在考虑自重、温度以及可变荷载作用下，对其整体的受力性能进行分析。计算结果表明，该桥的整体受力情况以及刚度都能够满足运营需求。但不等跨桥梁的受力特点较等跨桥梁复杂，在短跨处，其抗弯承载力富余度较大，在正常运营时，根据刚度分配力，长跨处的受力较为不安全，容易造成裂缝，因此设计人员在进行设计时，中跨位置处的预应力钢筋应该尽可能的远离中性轴，以保证中跨位置处承载能力。