让算力满足需求——连续刚构桥梁结构计算与分析

  连续刚构是一种常见的桥梁结构及形式，其主梁连续、墩梁固结，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了T形刚构不设支座、无须体系转换的优点，方便施工，顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度能较好地满足结构的受力要求，已成为大跨度预应力混凝土桥梁的首选桥型。但由于连续刚构自身重量大，在运营期存在跨中下挠和腹板开裂等结构性通病，设计时一定要通过计算，反复优化桥梁结构尺寸、梁高变化曲线参数和纵向钢束配置，使结构受力达到最优状态，从而最大限度上降低安全风险隐患，保证桥梁结构承载能力。本文采用桥梁有限元计算软件YJK. Bridge进行结构计算，并与DR.Bridge的计算结果进行了对比分析，供设计参考。

  该桥主桥为88+160+88m预应力混凝土连续刚构，见图1。主桥箱梁为三向预应力混凝土结构，单箱单室截面，箱梁顶板宽16.60m，底板宽9.0m，外翼板悬臂长3.8m；跨中梁高3.75m，根部梁高10.5m，梁高变化采用1.7次抛物线；箱梁腹板在墩顶范围内厚1.20m，从箱梁根部至跨中梁段腹板有0.90m、0.75m、0.60m三种厚度；箱梁底板厚除0号梁段为1.80m外，其余梁段底板从箱梁根部截面的1.35m厚以1.5次抛物线m；主桥上部采用挂篮悬臂施工，箱梁0号段长14m，悬臂施工标准节段长度为12×3.0m+9×4.0m，全桥共设3个合龙段，其长度均为2m，边跨现浇段长度为6.80m。

  主墩采用双肢薄壁墩，墩身平均高度33.0m，顺桥向宽度2.0m，横桥向宽度9.0m；主墩承台顺桥向宽14.0m，横桥向长14.0m，承台高4.5m。主墩采用9根直径2.2m的嵌岩桩。

  桥梁荷载方面，该工程考虑结构自重、预应力张拉荷载、温度荷载、桥面荷载、沉降、移动荷载、施工阶段、收缩徐变作用。

  主桥箱梁采用C60，主墩墩身采用C50，承台采用C40，桩基采用水下C35。材料详细规格参数如表1所示。桥梁钢筋采用HRB400规格，材料详细规格参数如表2所示。主梁钢绞线MPa钢束，详细规格参数如表3所示。

  其余计算参数如下：二期恒载包括桥面铺装、护栏等；并按1.5kN/m考虑过桥管线mm计算。汽车荷载等级：公路-I级。纵向计算汽车荷载按单向4车道加载，考虑纵向、横向折减及偏载，汽车荷载的横向分布系数为3.12。设计合龙温度取15～18℃，考虑整体升降温影响：体系升温25℃，体系降温25℃。温度梯度按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015） 4.3.12条取值，T1取14℃，T2取5.5℃。挂篮自重取1350kN。塑料波纹管管道摩阻系数mu=0.17,局部偏差系数k=0.0015。顶推力通过收缩徐变、整体问题效应等因素综合确定为3000kN，采用集中荷载模拟。

  YJK.Bridge是基于多年建筑结构领域实践后，探索推出的一款桥梁结构分析计算软件，能够直接进行常规梁式桥上下部整体分析设计。该软件的快速建模、自动生成有限元模型、智能配束、自动生成施工阶段、智能划分梁格、抗震及抗倾覆等内容，在日常设计中确实能提高生产效率。笔者近一年时间接触到这款软件并运用软件进行多个项目的分析设计，本文便是基于该软件的建模分析结果与过往使用的Dr.Bridge分析结果进行对比。

  计算采用YJK.Bridge进行建模分析。下部结构只模拟主桥桥墩，在桩基底设置固结约束，在梁端支座处仅进行竖向约束模拟；主墩与主梁之间采用刚性连接，主节点为主梁节点，从属节点为桥墩顶部节点。模型共416个单元，446个节点；主梁按照施工阶段和截面变化进行单元划分，局部进行加密；桥墩、承台按1m单元长度进行划分控制，桩基按5m单元长度进行划分控制。计算模型、单元离散图分别见图2和图3。

  正截面抗弯承载能力满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG3362第5.1.2-1条γ0S≤R要求；按照JTG3362第5.2.11条规定进行抗剪截面验算，满足规范要求。正截面抗弯承载能力验算包络图和斜截面抗剪截面验算包络图分别见图4和图5。

  正截面抗裂验算(频遇)除端截面和墩顶截面不满足JTG3362第6.3.1条要求外，其余截面均满足规范要求；根据JTG3362第4.3.5条考虑支座宽度的影响，对连续梁中间支承处负弯矩进行手动折减处理后可满足规范要求。斜截面抗裂验算除端截面和墩顶截面不满足JTG3362第6.3.2条要求外，其余截面均满足规范要求；同样在考虑支座影响对负弯矩折减处理后可满足规范要求。计算结果分别见图6和图7及表4。实际上，如何更好地表示“端截面和墩顶截面”的计算结果，作者觉得YJK.Bridge软件应该有更为妥当的表示方式。

  根据JTG 3362第6.5.3条的规定，钢筋混凝土结构物件和预应力混凝土结构物件受弯构件计算的长期挠度值，由汽车荷载(不计冲击系数)和人群荷载频遇组合，在梁式桥主梁产生的最大挠度不应超过计算跨径的1/600，在梁式桥主梁悬臂端产生的最大挠度不应超过悬臂长度的1/300。经计算：汽车荷载（不计冲击系数）和人群荷载频遇组合最大挠度设计值fd≤最大挠度允许值fn，满足规范要求，见表4。

  正截面压应力验算满足JTG3362第7.1.5条的要求；斜截面主压应力验算满足JTG3362 第7.1.6条的要求。正截面压应力验算包络图和斜截面主压应力验算包络图分别见图8和图9。

  采用DR.Bridge有限元分析程序进行结构复算，并对两套软件计算的关键控制截面的计算结果进行了对比分析，见图10。结果显示，除个别数据外，大部分计算结果的差异均能控制在10%以内。

  总结来看，目前国内常用的桥梁结构计算软件主要有MIDAS Civil和DR.Bridge等。YJK. Bridge作为近几年新推出的一款桥梁计算软件，具有建模逻辑清晰、视觉界面友好和规范验算完整的特点，计算结果可信。