劉志峰 LIU Zhi-feng

（中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，九江 332005）

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，公路車(chē)輛的激增使得橋梁寬度不斷增加，而采用整體超寬橋面的橋梁不僅施工周期較慢，而且容易出現(xiàn)橫向受力問(wèn)題，因此目前大多數(shù)公路橋梁采用分幅布置，使得橋梁寬度減小，不僅能夠適用于懸臂澆筑或懸臂拼裝等快速施工工藝[1-3]，而且結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)條理清晰。但是由于分幅布置，結(jié)構(gòu)整體性較弱，通常在箱梁跨中建立橫隔板將兩幅橋連接而成，增強(qiáng)其整體性的同時(shí)還可以提高受力性能。因此本文為研究橫隔板對(duì)分幅布置的連續(xù)梁橋受力性能的影響，以某三跨等高度等寬度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)槔?，建立四種不同厚度橫隔板的整體有限元模型，對(duì)比分析其內(nèi)力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，同時(shí)建立跨中節(jié)段局部模型分析橫隔板和跨中截面局部受力情況，對(duì)采用橫隔板優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行分析[4-6]。

1 工程概況

某高速公路大橋主橋?yàn)?×70m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，主橋分兩幅布置，單幅橋?qū)挒?5.25m。主梁采用等高度等寬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，按部分預(yù)應(yīng)力A類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主橋截面采用單箱單室直腹板截面，整幅布置，頂板設(shè)置單向2.0%結(jié)構(gòu)橫坡，底板水平布置。在箱梁的支點(diǎn)處均設(shè)置了橫梁，箱梁邊支點(diǎn)橫梁厚1.6m，箱梁中支點(diǎn)橫梁厚為2.2m，梁端懸臂加厚至80cm，加厚段長(zhǎng)1.6m。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱、橫向的預(yù)應(yīng)力鋼束采用公稱直徑為15.2mm的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用JL32精軋螺紋鋼筋。箱梁采用懸臂對(duì)稱澆筑施工，兩幅橋同步進(jìn)行施工，橋梁總體示意圖如圖1所示。

圖1 總體布置圖

2 有限元模型建立

為了研究橫隔板對(duì)分幅布置三跨等高連續(xù)梁橋受力性能影響，分別建立40cm、60cm、80cm以及100cm四種厚度橫隔板的整體有限元模型，將其與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。主橋以及橫隔板均采用桿系單元建立，且兩幅橋分別建立，橫隔板通過(guò)彈性連接將其與每跨跨中連接，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 內(nèi)力優(yōu)化結(jié)果分析

為了分析兩幅獨(dú)立的三跨等高連續(xù)梁橋在各跨跨中建立橫隔板進(jìn)行連接后對(duì)其內(nèi)力的影響性能，通過(guò)建立不同厚度的橫隔板整體有限元模型分析各關(guān)鍵位置彎矩和各支座剪力的受力性能，分別提取邊跨跨中和中跨跨中正彎矩、中墩支點(diǎn)負(fù)彎矩以及各支座剪力，比較不同橫隔板厚度下的受力性能，將計(jì)算結(jié)果整理至圖3和圖4中。

圖3 不同橫隔板厚度下最不利彎矩對(duì)比圖

圖4 不同橫隔板厚度下最不利剪力對(duì)比圖

兩幅獨(dú)立的三跨等高連續(xù)梁橋通過(guò)在各跨跨中分別建立橫隔板進(jìn)行連接后，對(duì)其各關(guān)鍵位置彎矩和各支座剪力受力性能有著重要的影響，分別建立不同厚度橫隔板整體有限元模型，根據(jù)圖3和圖4可知，兩幅獨(dú)立的連續(xù)梁橋通過(guò)建立不同厚度橫隔板連接后，邊跨跨中和中跨跨中正彎矩、中墩支點(diǎn)負(fù)彎矩以及各支座剪力均有所減??；其中建立60cm厚度橫隔板時(shí)，最不利彎矩和最不利剪力均為改善最明顯，邊跨跨中正彎矩和中跨跨中正彎矩分別減小了31.85%和29.02%；中墩支點(diǎn)負(fù)彎矩減小了34.94%。支座D0最不利剪力減小了31.90%，支座D1最不利剪力減小了33.36%，支座D2最不利剪力減小了33.75%，支座D3最不利剪力減小了33.12%。由此綜上可知，通過(guò)建立橫隔板將兩幅連續(xù)梁橋連接起來(lái)，可以改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能，這是由于兩幅獨(dú)立的橋梁通過(guò)橫隔板連接成整體，提高其整體剛度，有利于結(jié)構(gòu)受力。

3.2 應(yīng)力優(yōu)化結(jié)果分析

為了分析兩幅獨(dú)立的三跨等高連續(xù)梁橋在各跨跨中建立橫隔板進(jìn)行連接后對(duì)其應(yīng)力的影響，通過(guò)建立不同厚度的橫隔板整體有限元模型分析各關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)基本組合作用下的上下緣應(yīng)力狀態(tài)，分別提取邊跨跨中和中跨跨中下緣拉壓應(yīng)力以及中墩支點(diǎn)上緣拉壓應(yīng)力，比較不同橫隔板厚度下的受力性能，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同橫隔板厚度下最不利拉應(yīng)力對(duì)比圖

圖6 不同橫隔板厚度下最不利壓應(yīng)力對(duì)比圖

兩幅獨(dú)立的三跨等高連續(xù)梁橋通過(guò)在各跨跨中分別建立橫隔板進(jìn)行連接后，同樣對(duì)其各關(guān)鍵位置應(yīng)力有著重要的影響，分別提取邊跨跨中和中跨跨中處結(jié)構(gòu)下緣拉壓應(yīng)力、中墩支點(diǎn)處結(jié)構(gòu)上緣拉壓應(yīng)力整理至圖5和圖6，根據(jù)圖5和圖6可知，兩幅獨(dú)立的連續(xù)梁橋通過(guò)建立不同厚度橫隔板連接后，邊跨跨中和中跨跨中拉應(yīng)力以及中墩支點(diǎn)壓應(yīng)力均有所減?。黄渲薪?0cm厚度橫隔板時(shí)，拉應(yīng)力改善效果最為明顯，邊跨跨中和中跨跨中下緣拉應(yīng)力分別減小了31.57%和28.94%；中墩支點(diǎn)上緣拉應(yīng)力減小了36.86%。各關(guān)鍵位置處壓應(yīng)力也有所改善，但效果較弱，其中邊跨跨中和中跨跨中下緣壓應(yīng)力分別減小了10.37%和13.45%；中墩支點(diǎn)上緣壓應(yīng)力減小了11.16%。由此綜上可知，建立60cm厚度橫隔板時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小幅度最佳。

3.3 橫隔板局部應(yīng)力分析

為研究建立橫隔板后的連續(xù)梁橋，跨中橫隔板處局部是否出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，應(yīng)力是否能夠滿足要求，針對(duì)連續(xù)梁的典型跨中斷面，采用有限元分析軟件建立節(jié)段局部模型分析。模型中，實(shí)體單元采用C3D10十結(jié)點(diǎn)二次四面體單元，模型約束按實(shí)際模擬，加載位置與實(shí)際情況一致，計(jì)算分析模型如圖7所示，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，其主拉應(yīng)力的大小通常能夠反映結(jié)構(gòu)是否開(kāi)裂，因此主要關(guān)注主拉應(yīng)力結(jié)果。其中60cm橫隔板跨中局部計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9以及表1所示。

表1 不同橫梁厚度下跨中截面最大主拉應(yīng)力對(duì)比表

圖7 跨中節(jié)段局部有限元模型圖

圖8 60cm體外橫梁跨中截面整體主拉應(yīng)力（MPa）

圖9 60cm跨中體外橫梁主拉應(yīng)力（MPa）

由表1可知，跨中截面局部主拉應(yīng)力隨著橫隔板厚度增加而增大，而橫隔板主拉應(yīng)力隨著橫隔板厚度增加變化規(guī)律呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。其中橫隔板厚度40cm時(shí)，跨中截面主拉應(yīng)力最小，為4.04MPa；60cm橫隔板局部應(yīng)力最小，僅為2.35MPa，因此綜合來(lái)看，橫隔板厚度選取60cm時(shí)，跨中區(qū)域局部應(yīng)力狀態(tài)較好。

4 結(jié)論

以某三跨等高度等寬度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)槔?，建立四種不同厚度橫隔板的整體有限元模型，對(duì)比分析其內(nèi)力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，同時(shí)建立跨中節(jié)段局部模型分析橫隔板和跨中截面局部受力情況，對(duì)比得到如下結(jié)論：

①兩幅獨(dú)立的連續(xù)梁橋通過(guò)建立不同厚度橫隔板連接后，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，使得結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的內(nèi)力和應(yīng)力均有所減??；而當(dāng)選擇厚度為60cm的橫隔板時(shí)，彎矩最大幅度減小了34.94%，剪力最大幅度減小了33.75%，應(yīng)力最大幅度減小了36.86%。

②對(duì)跨中截面以及跨中處橫隔板進(jìn)行局部分析可知，選取60cm橫隔板局部主拉應(yīng)力最小，僅為2.35MPa。

③通過(guò)橫隔板將分幅布置的連續(xù)梁橋連接成整體，增強(qiáng)了橋梁橫向剛度，使得橋梁整體性明顯提升。然而隨著橫隔板厚度的增加，結(jié)果內(nèi)力和應(yīng)力并不是也隨之下降的，因此并不需要設(shè)置很厚的橫隔板。