广东省交通规划设计研究院股份有限公司
摘要：博爱路翠景路跨线桥主桥为(35+50+35)m三跨连续钢箱梁，主桥下部结构采用弧形柱式墩和低桩承台群桩基础，桥墩间设置系梁，基础采用钻孔灌注桩。根据桥梁计算程序MIDAS civil 2013建模进行有限元分析，按照钢筋混凝土构件验算其承载能力极限状态和正常使用极限状态下是否满足规范要求。
关键词：下部结构；荷载；有限元法
1引言
1.1项目概况
博爱路翠景路跨线桥位于中山市博爱路翠景路平交口，与现状翠景路相交。桥址区地貌上属平原区，地下水位稳定埋深为1~1.5m。
全桥共计三联，桥梁第一联和第三联上部结构为预应力砼现浇箱梁，第二联为连续钢箱梁，桥梁跨径组合为：3×30+（35+50+35）+1×25m=235m，主桥下部结构采用弧形柱式墩和低桩承台群桩基础，桩基采用钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。
桥梁横断面见图1：
图1 桥梁横断面
1.2主要技术指标
（1）桥梁设计荷载：城-A级；
（2）桥梁抗震设防分类：丙类；
（3）地震动峰值加速度：0.10g；设计地震分区：1区；场地类别：Ⅲ类。
（4）设计使用年限：100年；设计基准期：100年；设计安全等级：一级；
（5）坐标系统：中山市独立坐标系统；高程系统：国家85高程系统；
（6）桥面铺装：10cm沥青混凝土铺装+防水层；
（7）环境类别：I类；环境作用等级：B级。
2结构计算分析
2.1计算荷载
计算采用的设计参数按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)的有关规定取值，其中：
（1）结构自重:自重系数取1.04。
（2）上部恒载：通过支座的竖向力施加。
（3）汽车荷载：通过支座的竖向力施加。
（4）温度作用：温度整体升降温对下部的影响，梯度温度影响较小不计。
（5）收缩、徐变：下部的收缩徐变，根据模型计算取值。
（6）制动力：
1）单车道制动力=max(165，10%×车道荷载)，按三跨一联120m联长考虑均布荷载项，即：（（35+50+35）×10.5+360）×10%=162kN，故单车道制动力取165kN。
2）一联桥梁的总制动力=同向车道数×单车道制动力×横向车道布载分布系数，三个车道布载系数取值为0.78，汽车制动力即：165×3×0.78=386.1kN。
3）车辆横向分布系数根据杠杆原理计算，通过支座的水平力施加，一侧桥墩计入308.8kN，另一侧计入77.2kN。
（7）地震作用：地震作用下产生横桥向和顺桥向的水平荷载，其值取支座竖向荷载的10%，即取800kN。
2.2结构分析方法
主桥下部结构计算采用有限元分析方法，建立三维实体单元模型，桥墩与系梁、承台之间通过节点连接，承台与桩基之间通过刚性连接，桩土间的相互作用采用“土弹簧”模型模拟。计算不同荷载组合的内力，验算其在最不利荷载组合下，承载能力极限状态和正常使用极限状态是否满足规范的相关规定。
3下部结构的分析计算
3.1桥墩
桥墩是桥梁的重要结构，承受上部结构的荷载，并将它传递给地基基础[1]。主墩采用弧形柱式墩，墩顶截面尺寸为168cm×150cm(横桥向×顺桥向)，墩底截面尺寸为：130cm×150cm(横桥向×顺桥向)，支座间距为480cm，墩顶往下3m为弧线段，其余直线段与承台相接。
通过计算可知，桥墩为压弯构件，按最不利荷载组合提取结果，横桥向是由基本组合控制，顺桥向由地震组合控制，验算桥墩在最大弯矩下是否满足规范要求。该桥墩属于一端固定另一端自由，计算挠曲长度系数μ=2，因此桥墩的验算长度应该取2倍墩长[2]。桥墩采用C40混凝土，主筋钢筋直径为32mm，截面承载能力极限状态抗力满足规范要求。
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中第6.4.3条进行裂缝验算，计算得最大裂缝为0.1mm，正常使用极限状态抗力满足规范要求。
3.2系梁
系梁使弧形柱式墩之间连成整体，增加柱身间横向联系，改善桥墩的受力结构，加强桥墩的整体刚度。系梁设置位置距离墩顶100cm，截面尺寸为100cm×100cm，横桥向上缘在与桥墩相交的位置设置圆弧倒角，下缘为圆弧，和整个弧形柱式墩相呼应，在视觉上使其更加美观协调。
通过模型提取内力可知系梁为拉弯构件，因此需最大弯矩和最大轴力下进行截面验算，系梁采用C40混凝土，主筋钢筋直径为25mm，横桥向、顺桥向截面承载能力极限状态抗力均满足规范要求。
根据规范，提取最不利工况进行验算，计算得最大裂缝为0.12mm，正常使用极限状态抗力满足规范要求。
3.3承台
承台是桩基础的一个重要组成部分，把上部荷载传给桩基础，将各单桩联结成整体。主桥承台截面尺寸650cm×555cm（横桥向×顺桥向），高180cm。材料采用C30混凝土，主筋直径采用28mm。
承台的计算首先从模型提取最大单桩承载力，由于外排桩中心距墩台身边缘为87.5cm，小于承台高度180cm，应采用撑杆——系杆体系。
确定好承台的受力体系，对承台进行验算，承台主要在顺桥向承担桥墩的的作用力，因此只需验算顺桥向承台的受力特征，根据验算结果可知承台的设计是满足规范要求。
3.4桩
博爱路翠景路跨线桥桥区地处三角洲平原地貌，基底由花岗岩及其风化层等组成，岩面起伏较大。全桥桩基均按嵌岩桩设计，参考项目钻孔岩层资料，桥梁以中~微风化岩为桩端持力层。主桥桩基嵌岩深度以进入微风化层1.5D为原则，根据嵌岩桩计算可知桩长满足规范要求。
根据模型计算可知，桩为压弯构件，按最不利荷载组合提取结果，横桥向和顺桥向都是由地震组合控制。主桥的桩介于“两端固结”和“一段固结另一端滑动固结”两种情况之间，计算挠度曲线系数μ=0.5～1，偏安全考虑，取μ=1，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》附录P.0.2，求得横桥向α=0.269，顺桥向α=0.264，分别计算长度挠曲Lp=4/α。桩基采用C30混凝土结构，主筋直径采用25mm，又根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)5.3.4，验算可知顺桥向和横桥向作用下截面承载能力极限状态抗力均满足规范要求。
根据模型提取最不利工况进行裂缝验算，计算得到最外缘钢筋应力小于24MPa，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中第6.4.5条，可不必验算裂缝。
4结语
博爱路翠景路跨线桥属于城市主干道，车辆行人通行量较大，桥体美观也有一定要求。主桥下部结构设计中，采用了有限元分析方法，建立实体单元模型，施加荷载，模型较客观的反应了主桥下部结构的受力情况和边界条件，验算结果为主桥下部结构的设计提供了重要依据。
参考文献
[1]廖朝华 . 墩台与基础 [M] . 北京：人民交通出版社，2013.
[2] 孙训芳，方孝淑，关来泰 . 材料力学[M] . 北京：高等教育出版社，2009.
论文作者:吴红莉
论文发表刊物:《防护工程》2017年第31期
论文发表时间:2018/3/13
标签：荷载论文; 桥墩论文; 组合论文; 结构论文; 截面论文; 桥梁论文; 桥下论文; 《防护工程》2017年第31期论文;