多跨预应力实体板桥设计

2016-11-25王欣

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：主梁支座计算结果

王欣

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100022）

多跨预应力实体板桥设计

王欣

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100022）

北京亦庄新城新建太和桥由于受外部条件的制约，此处跨河桥的结构厚度被限制在80 cm以内，且为异型结构。据此选用多跨现浇预应力钢筋混凝土实体板结构。利用Midas有限元软件对主梁进行了建模计算，并且对挠度、抗剪、抗冲切等进行了补充计算分析，为相关设计提供参考。

预应力；实体板；异型结构；Midas；桥梁设计

1　工程概况

太和桥市政工程位于北京市亦庄新城的西南部，南起博兴南路与南区北路相交路口，北至博兴路与新凤河路相交路口，是新城内跨越新凤河及南六环的一条南北向的重要通道，主要为货运疏导及过境交通服务，图1为该桥的平面示意图。道路规划为城市主干路，设计车速50 km/h，红线宽60 m。

图1　太和桥平面示意图（单位：m）

由于道路拓宽，原有跨新凤河的旧桥将拆除，并新建太和桥。根据河道及公路管理部门的要求，新建跨河桥梁底需高出新凤河50 a一遇洪水位50 cm，同时南六环桥下净空应大于4.5 m。受以上条件限制，经过道路纵断计算，桥梁结构厚度应不大于80 cm。另外受平交路口线形影响，桥梁为异型结构，预制梁制作困难。综上所述，本着结构受力合理、施工方便的原则，最终桥梁选定为现浇预应力钢筋混凝土实体板结构。

太和桥位于道路平面直线段、圆曲线段(R=800 m)以及道路竖曲线上，墩中线与博兴路规划永中的夹角为72.59°。桥梁全长7×12＝84 m，标准段全宽49.5 m。

2　主要技术标准

桥梁设计采用的技术标准如下：

（1）道路等级:城市主干路，设计行车速度：50 km/h；

（2）车辆荷载：城市-A级；

（3）人群荷载：取值为4.5 kPa；

（4）风荷载：北京地区100 a平均最大风速为28.6 m/s；

（5）抗震标准：地震动峰值加速度0.2 g，对应抗震设防烈度8度,抗震设防类别为B类，抗震设防措施等级9级；

（6）与巡河路关系：南侧以南六环路北辅路代替巡河路，北侧拟新建巡河路，均按平交考虑；

（7）航道等级：无通航要求；

（8）结构安全等级：二级，结构重要性系数取1.0；

（9）设计基准期：桥梁结构的设计基准期为100 a；

（10）环境类别：II类；

（11）桥梁标准横断面：0.5 m（人行护栏）+2.5 m（人行步道）+3.5 m（非机动车道）+1.5 m（隔离带）+ 16 m（机动车道）+1.5 m（隔离带）+16 m（机动车道）+1.5 m（隔离带）+3.5 m（非机动车道）+2.5 m（人行步道）+0.5 m（人行护栏）=49.5 m。

3　桥梁结构设计

太和桥上部结构为预应力钢筋混凝土实体板结构，沿道路定测线跨径为7×12 m，全联长度84 m,板厚为0.75 m。桥梁中墩支座间距为5.3 m，边墩支座间距为5.6 m。桥梁正常段板顶宽25.6～25.7 m，板底宽23.8～24 m，悬臂宽0.88 m，悬臂厚度0.25 m到0.35 m。支点处主梁加厚0.3 m。

0＃、7＃边墩桥台为边墩盖梁，上设D=40 cm，厚10.5 cm的圆形板式橡胶支座，下接单排D=1.5 m钻孔灌注桩；1#～6＃中墩采用D=1.0 m包钢墩柱，上设D=55 cm、厚10 cm的圆形板式橡胶支座圆与主梁相接，每一墩柱下通过承台接一根D=1.5 m钻孔灌注桩。

4　主梁计算分析

4.1荷载

4.1.1结构自重

主梁混凝土容重按26.25 kN/m3计，沥青混凝土桥面铺装的容重按24 kN/m3计，地袱栏杆每侧按12 kN/m计。

4.1.2汽车荷载

参照《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011），汽车荷载按城－A级计，4条机动车道+1条非机动车道。

4.1.3其他荷载

其他荷载取值如下：

系统温升取+31℃，系统温降取-41℃，桥面日照温差取+14℃和-7℃，

混凝土收缩产生的影响用温降-15℃代替。

4.2荷载组合

添加以上全部荷载，最后选择最不利的单项荷载组成荷载组合。

设计考虑如下四种组合：

（1）按承载能力极限状态设计

基本组合（组合1）：1.2自重+1.4汽车及冲击+0.8×1.4不利的温度荷载；

（2）按正常使用状态设计

作用短期效应组合（组合2）：1.0自重+0.7汽车+1.0系统温降+0.8温度梯度；作用长期效应组合（组合3）：1.0自重+0.4汽车+1.0系统温降+0. 8温度梯度；

（3）1+1组合

1+1荷载组合（组合4）：自重+汽车 +系统温降+温度梯度。

4.3计算模型

由于此桥桥宽较大，板厚较小，采用平面杆系程序不能对其进行全面的计算分析。因此采用厚板单元建立计算模型进行计算,如图3。计算程序采用Midas有限元软件，Midas程序中梁单元直接加预应力是准确的，板单元直接加预应力模拟不准确，为此要找出一种方法能比较准确的模拟板单元中的预应力荷载。经比选，最后采用在板单元中加预应力采用的方法是：把预应力做成同截面同材料的桁架单元，通过给桁架单元加单元温缩荷载来模拟预加力，保证桁架单元的应力与钢绞线永存应力基本一致。

图2　桥梁结构平面图（单位：cm）

图3　实体板桥有限元模型

实体板桥有限元模型采用Midas中的厚板单元建立，为施加预应力，单元大小根据预应力布置情况由0.4 m到1.0 m宽不等，预应力荷载用上述方法施加。中墩圆板支座的模拟方法是建立支座单元，单元长度等于支座橡胶板总厚度，输入橡胶材料特性（弹性模量E=6.3 MPa，G=1.0 MPa，泊松比γ=300）。边墩圆板支座采用节点弹性支撑模拟，竖向约束Sdz=614 361 kN,水平约束Sdx=Sdy=1186kN,转角约束SRx=SRy=19 647 kN。

4.4主梁计算结果

因计算模型中桥面采用板单元而墩柱及支座采用梁单元，墩顶应力集中严重，且模型未对结构在中墩处主梁加厚0.3 m进行考虑，按规范规定可以考虑支座宽度对弯矩折减的影响，沿主梁加厚区两侧向上按45°扩散交于板的重心轴，设计不考虑此范围内单元内力，如图4。以下图5～10均为将中墩顶范围及1.00 m范围内单元消隐后生成的内力云图。

图4　弯矩折减计算图（单位：cm）

图5　恒载+预应力+活载下板顶Syy应力云图（单位：kN/m2）

图6　恒载+预应力+活载下板底Syy应力云图（单位：kN/m2）

图7　恒载+预应力+活载下板顶Sxx应力云图（单位：kN/m2）

图8　恒载+预应力+活载下板底Sxx应力云图（单位：kN/m2）

图9　恒载+预应力+活载下最大反力图（单位：kN）

图10　恒载+预应力+活载下最小反力图（单位：kN）

5　其他计算分析

5.1挠度及预拱度

由短期效应组合计算得出的最大挠度在Y方向跨中，数值为2.636 cm，考虑荷载长期效应的影响，预应力结构长期增长系数取用2.0，则挠度为5.272 cm，预加应力产生的长期反拱值2×2.177= 4.354 cm，最后确定预拱度取2 cm。

5.2配筋计算

由于此桥是预应力结构，要进行极限承载力，抗裂和裂缝的计算（X方向控制点处），极限承载力的计算采用基本组合（组合1）的计算结果，抗裂计算采用正常使用状态荷载组合（组合2和组合3），裂缝的计算采用作用短期效应组合（组合2）的计算结果。由于预应力是集中加载的，锚固端的地方出现了弯矩和应力都比较集中的现象，计算配筋时，可不考虑。

（1）极限承载力计算

根据以上组合1、组合2的计算结果，选取弯矩最大的控制点进行配筋计算，见表1。

（2）裂缝配筋计算

该桥X方向只配了一部分预应力，所以对X方向要进行裂缝计算，根据以上组合3、组合4的计算结果，选取控制点进行配筋计算，见表2。

（3）最后配筋方案

根据以上计算结果，得出最终配筋方案为：X方向实体墙加腋范围内第一层布置直径32 mm间距14 cm两根并置，实体墙端头第二层布置的直径28 mm间距14 cm的钢筋，Y方向实体墙端头布置两层直径28 mm间距14 cm，悬臂板沿边缘布置直径22 mm间距10 cm的钢筋，其余位置布置X和Y方向各一层直径为28 mm间距10 cm的钢筋。