韋澤鵬

(海南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，海南 ?？?570206)

1 工程概況

三家昌化江大橋起于東方市，終于昌江縣，為海南省環(huán)島旅游公路的亮點(diǎn)工程之一，橋梁跨越海南第2大河昌化江，距離入?？诩s12 km。橋位處為七級(jí)航道，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用雙向四車道一級(jí)公路，橋梁全長1 357.2 m，控制該橋梁的300 a一遇洪水位為17.28 m。三家昌化江大橋主橋?yàn)?50+3×90+50)m的斜腹板變截面連續(xù)梁，主梁采用懸臂施工。根據(jù)防洪及通航要求，主橋橋面高程最高點(diǎn)的高程為25.734 m，跨越河道常水位為4.5 m。橋位處100 a重現(xiàn)期的基本風(fēng)速為45.1 m/s[1]。橋位所處區(qū)域?yàn)閷掗熕?從上述工程條件可知橋位處基本風(fēng)速大、橋面高程高，因此針對(duì)該橋成橋期間和施工期間最大懸臂狀態(tài)在百年靜風(fēng)荷載下的響應(yīng)進(jìn)行了分析。橋型布置及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1、圖2所示。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：cm)

2 風(fēng)速參數(shù)確定[1]

2.1 設(shè)計(jì)基本風(fēng)速

成橋階段橋梁各構(gòu)件基準(zhǔn)高度Z處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Ud為基準(zhǔn)高度處的設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；kf為抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；α0為橋址處地表粗糙系數(shù)；kc為地表類別轉(zhuǎn)換系數(shù)；U10為基本風(fēng)速。

施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速按式(2)計(jì)算：

Usd=ksfUd

(2)

式中：Usd為施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；ksf為施工期抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

2.2 等效經(jīng)陣風(fēng)風(fēng)速

等效經(jīng)陣風(fēng)風(fēng)速可按式(3)計(jì)算：

Ug=GvUd

(3)

式中：Ug為等效靜陣風(fēng)風(fēng)速，m/s，Gv為等效靜陣風(fēng)系數(shù)。

2.3 主梁截面橫向力系數(shù)

主梁截面橫向力系數(shù)可按式(4)計(jì)算：

(4)

式中：CH為主梁截面橫向力系數(shù)；βd為腹板傾角；B為截面寬度；D為梁高。

2.4 主梁橫橋向風(fēng)及順橋向風(fēng)計(jì)算

橫橋向風(fēng)作用下主梁?jiǎn)挝婚L度上的等效靜陣風(fēng)荷載可按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：Fg為主梁?jiǎn)挝婚L度上的等效靜陣風(fēng)荷載，N/m；ρ為空氣密度，kg/m3。

主梁順橋向風(fēng)取橫橋向風(fēng)荷載的0.25倍。

2.5 橋墩風(fēng)荷載計(jì)算

作用在橋墩上的來流風(fēng)荷載可按式(6)計(jì)算(橫、順橋向通用)：

(6)

式中：Fg為構(gòu)件單位長度上的風(fēng)荷載，N/m；CD為構(gòu)件阻力系數(shù)；An為構(gòu)件單位長度上順風(fēng)向的投影面積。

3 風(fēng)荷載計(jì)算

由于主梁高度不同，變截面主梁部分不同位置得到的阻力不同，將變截面主梁處分為5部分，第1部分為主梁0#-1#塊(梁高按5.4 m選取)，第2部分為主梁2#-3#塊(梁高按4.6 m選取)，第3部分為主梁4#-6#塊(梁高按3.7 m選取)，第4部分為主梁7#-8#塊(梁高按2.8 m選取)，第5部分為主梁剩余部分(梁高按2.4 m選取)，如圖3所示。

圖3 主梁分段圖

根據(jù)第2節(jié)的公式計(jì)算可得主梁各部分100 a重現(xiàn)期風(fēng)荷載如下表：

表1 成橋階段100 a重現(xiàn)期風(fēng)荷載kN/m橫橋向風(fēng)荷載順橋向風(fēng)荷載成橋階段施工階段成橋階段施工階段主梁110 3398 0062 5842 002主梁213 02010 0823 2552 521主梁319 05114 7534 7633 688主梁425 08219 4236 2714 856主梁530 44323 5757 6115 894橋墩墩頂(梯形加載)8 4106 92824 85620 475

4 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

連續(xù)梁主梁采用C55混凝土進(jìn)行懸臂現(xiàn)澆施工，主梁采用單箱雙室斷面，墩頂節(jié)段梁高5.6 m，跨中節(jié)段梁高2 m。箱梁頂板厚30 cm，腹板厚0.6～0.8 m，底板厚0.32～0.95 m。全橋縱向預(yù)應(yīng)力均采用19ΦS15.2鋼束，均采用兩端張拉。

主梁計(jì)算采用橋梁三維有限元分析綜合程序Midas進(jìn)行空間桿系分析。成橋計(jì)算荷載包含100 a風(fēng)速、主梁二期荷載、整體升降溫及梯度升降溫[2]，各橋墩沉降按10 mm進(jìn)行組合計(jì)算，并考慮施工過程中的掛籃、配重及成橋10 a的混凝土收縮徐變。其中100 a風(fēng)速在基本組合中按1.4的系數(shù)考慮荷載組合，施工階段外荷載計(jì)算僅考慮在最大懸臂階段施加風(fēng)荷載，進(jìn)行100 a橫風(fēng)和縱風(fēng)包絡(luò)分析。

使用Midas對(duì)橋梁進(jìn)行風(fēng)荷載分析驗(yàn)算，對(duì)成橋階段及最大懸臂階段分別建立模型進(jìn)行分析。

4.1 成橋階段結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.1.1承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.1.1.1 正截面抗彎承載力驗(yàn)算

主梁的正截面抗彎承載力包絡(luò)圖見圖4，驗(yàn)算結(jié)果見表2。圖中外圍包絡(luò)線為主梁能承受的最大彎矩，中間曲線為結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的彎矩。主梁跨中正彎矩最大，為133 948 kN·m；橋墩墩頂處負(fù)彎矩最大，為-601 377 kN·m。各截面處彎矩均未超過所能承受的最大彎矩，主梁正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求[3]。

表2 正截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果極值點(diǎn)/單元位置rMu/(kN·m)Mn/(kN·m)驗(yàn)算結(jié)果46墩頂-601 3771 038 089OK61跨中133 948205 721OK

4.1.1.2 斜截面抗剪承載力驗(yàn)算

主梁的斜截面抗剪承載力包絡(luò)圖見圖5，驗(yàn)算結(jié)果見表3。圖中外圍包絡(luò)線為主梁能承受的最大彎矩，中間曲線為結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的彎矩。主梁墩頂處剪力最大，為35 428 kN。各截面處剪力均未超過所能承受的最大剪力，主梁斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

圖5 斜截面抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果(單位：kN)

4.1.2持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁正截面抗裂驗(yàn)算

主梁的正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果見圖6?？紤]20%預(yù)應(yīng)力折減后在短期效應(yīng)下各截面均未產(chǎn)生拉應(yīng)力，故滿足規(guī)范對(duì)全預(yù)應(yīng)力混凝土主梁驗(yàn)算的要求。

4.1.3持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁斜截面抗裂驗(yàn)算

主梁的斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果見圖7。短期效應(yīng)下最大主拉應(yīng)力為0.72Mpa，滿足規(guī)范σtp≤0.5ftk=1.37 MPa的應(yīng)力限值要求。

a)上緣應(yīng)力圖

b)下緣應(yīng)力圖

圖7 斜截面抗裂驗(yàn)算主梁主拉應(yīng)力圖(單位：MPa)

4.1.4持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁正截面最大壓應(yīng)力驗(yàn)算

主梁正截面最大壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如圖8。標(biāo)準(zhǔn)組合下箱梁正截面受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力14.08 MPa，滿足規(guī)范σkc+σpt≤0.5fck=17.75 MPa的應(yīng)力限值要求。

表3 斜截面抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果極值點(diǎn)/單元位置rVd/kNVn/kN驗(yàn)算結(jié)果46墩頂35 42856 233OK

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合主梁最大壓應(yīng)力圖(單位：MPa)

4.2 施工階段結(jié)構(gòu)響應(yīng)

施工階段對(duì)最大雙懸臂狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)規(guī)范[1]要求，采用2種工況，工況1為對(duì)稱加載，工況2為橫橋向風(fēng)非對(duì)稱加載，一側(cè)懸臂橫向風(fēng)大小為另一側(cè)懸臂的0.5倍。100 a風(fēng)荷載系數(shù)為1,進(jìn)行荷載組合。取應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算,施工狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)，主梁及橋墩視為固結(jié)，分別對(duì)上部及下部進(jìn)行驗(yàn)算。

4.2.1上部結(jié)構(gòu)

1)工況1：對(duì)稱加載，梁段應(yīng)力見圖9。

圖9 工況1梁段應(yīng)力圖(單位：MPa)

2)工況2：橫橋向風(fēng)非對(duì)稱加載，梁段應(yīng)力如圖10所示。

圖10 工況2梁段應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖10可知非對(duì)稱加載工況下的應(yīng)力圖與對(duì)稱加載的基本一致，滿足規(guī)范要求。

4.2.2下部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

主墩采用花瓶墩，墩柱采用非規(guī)則截面(見圖11)，墩身主筋采用雙層Φ25HRB400鋼筋，配筋率為7.63‰，配筋如圖12所示。由于墩柱截面為非規(guī)則截面，采用XTRACT截面分析軟件分析墩柱截面的 P-M曲線，結(jié)合墩柱最不利靜力計(jì)算的結(jié)果，判斷墩柱是否滿足正常使用狀態(tài)下的承載力要求，橋墩截面橫型如圖13所示。

圖11 橋墩構(gòu)造圖(單位： cm)

圖12 截面配筋圖(單位： cm)

圖13 橋墩截面模型

取受力最不利的主墩進(jìn)行驗(yàn)算，并考慮偏心受壓構(gòu)件的軸向力承載能力極限狀態(tài)偏心距增大系數(shù)η。結(jié)合 Midas計(jì)算成果，墩底軸力及彎矩如表4和表5所示。

結(jié)合 Midas 計(jì)算結(jié)果，將墩柱軸力及彎矩與墩柱P-M對(duì)比，如圖14所示(對(duì)稱截面故僅取彎矩正值)。

表4 順橋向截面內(nèi)力表(考慮偏心增大系數(shù))工況軸力/kN彎矩/(kN·m)η軸力最大99 19814 8852.9彎矩最大94 50427 3872.7

表5 橫橋向截面內(nèi)力表(考慮偏心增大系數(shù))工況軸力/kN彎矩 /(kN·m)η軸力最大99 19811 5742.2彎矩最大94 50535 7431.4

由彎矩曲率包絡(luò)圖可知，墩柱在正常使用極限狀態(tài)下的承載力可滿足100 a風(fēng)作用下的靜力響應(yīng)，且具有一定冗余度。

a)順橋向

b)橫橋向

5 結(jié)語

本文針對(duì)三家昌化江大橋主橋百年靜風(fēng)荷載下的橋梁響應(yīng)進(jìn)行了分析，橋梁設(shè)計(jì)方案在該橋位的100 a重現(xiàn)期靜風(fēng)作用下性能均滿足要求，為該類橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了一定指導(dǎo)作用。