桥梁交接墩盖梁计算与优化分析

时间：2024-07-28

张斌

（福州市规划设计研究院，福州 350000）

0 引言

盖梁是桥梁承上启下的重要结构，上部结构荷载通过盖梁传递给下部结构和基础。因影响盖梁内力的因素很多，如：桥梁跨径、宽度、斜交角度等，所以很难完全套用标准图或通用图[1]，必须要建模计算分析，因此，盖梁建模的理论与思路，在整个计算过程中尤为重要。

盖梁作为受弯、受剪结构，设计控制内力一般为墩顶负弯矩、跨中正弯矩以及桥墩位置剪力。对于盖梁的设计荷载，其恒载主要来自主梁自重及桥面系荷载；对于活载而言，横向活载，主要考虑单列车、双列车、多列车的对称及非对称等情况，按盖梁位置反力影响线加载，获得最大支反力；纵向活载，过渡墩盖梁按考虑本联布载考虑，对于桥梁的交接墩盖梁，其传统计算方法，通常考虑A 联（A 孔）、B 联（B 孔）按独立布载而后叠加，这种理论认为：A 联（A 孔）、B 联（B 孔）不相关联，分别用各自反力影响线求出交接墩位置的最大支反力值后再叠加（详见图1.1 力学图解1），然后分析盖梁内力，但根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）中对车道荷载的解释，车道荷载中均布荷载标准值Qk 为描述桥梁结构效应的自然堵塞的车队模型荷载，而车道荷载中的集中荷载（Pk）为描述运煤车等重车模型荷载，如果按A 联（A 孔）、B 联（B 孔）不相关考虑，则说明有两个重车同时作用在交接墩盖梁上，这种情况在桥梁实际运

营时，是不会出现的。这种计算方法虽安全但过于保守，不仅不利于盖梁结构尺寸的制定，也会造成材料浪费，不仅影响桥下空间及通透性，也与寻找设计临界点的科学精神相违背。

图1.1 力学图解1

有鉴于此，本文提出了两种优化计算方法，优化计算方法一（A 联B 联双联叠加加载计算方法）：因A 联B 联桥面连续，可把前后两联当成一整联，即把交接墩盖梁当成过渡墩盖梁计算（详见图1.2 力学图解2）。

图1.2 力学图解2

图1.3 力学图解3

优化计算方法二（A 联B 联双联非叠加加载）：仍把前后联分开计算，但考虑车道荷载的集中荷载Pk 的作用长度，把车道荷载的集中荷载Pk 作用位置由传统计算的盖梁位置，转移到车辆的实际重心位置。（详见图1.3 力学图解3，Pk 的作用长度参考《通规》中车辆荷载长度12.8 米，整车重心到后轮长度为5.0 米）。

1 工程概况

国道G316 线长乐漳港至营前段项目A1 合同段，主线主路左幅1 号桥，全长1562 米，双幅设计，单幅宽度17 米，上部结构形式为：预制小箱梁和现浇预应力砼连续箱梁，下部结构形式：盖梁柱式墩和花屏墩，为桥台处设D80 型伸缩缝，交接墩处设D160 型伸缩缝，本文取第十五联（3x35 米=105米，桥墩号ZⅠ51～ ZⅠ54）预应力混凝土简支变连续小箱梁和第十六联（3x35米=105 米，桥墩号ZⅠ54～ ZⅠ57）预应力混凝土简支变连续小箱梁为研究对象，小箱梁高度为1.8 米，横向布置6 片，交接墩盖梁高度1.8 米，宽度2.0米，悬臂宽度5.4 米，双柱墩间距4.8 米（详见图2.3 单幅横断面）（因为要考虑到桥下净空和高架桥整体通透性等因素，本工程盖梁采用大悬臂预应力盖梁，本文只分析比较在三种计算理论下的盖梁内力）。

图2.3 单幅横断面

2 有限元模型分析

本文采用MIDAS/CIVIL 有限元软件，比较分析了桥梁交接墩盖梁（详见图3.1 交接墩盖梁模型），在传统计算方法与优化计算方法一和优化计算方法二下的作用相应与内力差异。

荷载采用公路I 级荷载，按传统计算方法，交接墩盖梁位置活荷载最大支反力为863.2Kn*2（分别考虑第十五联预应力混凝土小箱梁、第十六联预应力混凝土小箱梁，交接墩处最大支反力再叠加）按优化计算方法一，交接墩盖梁位置活荷载最大支反力为1000.7 Kn *1（把第十五联、与第十六联按整体考虑）,按优化计算方法二，交接墩盖梁位置活荷载最大支反力为501.2 Kn *2（分别考虑第十五联、第十六联，同时考虑重型车的作用长度）

三种计算模式下交接墩盖梁最大弯矩（跨中位置）比较分析（详见图3.1 桥墩交接墩盖梁跨中正弯矩图），传统计算方法为2120.9Knm，优化计算方法一为 1229.4Knm，优化计算方法二为1231.5Knm，结算结果表明：采用优化计算，对减少盖梁正弯矩作用明显，优化计算方法一减少到传统计算方法的57.9%，优化计算方法一减少到传统计算方法的58.1%。

图3.1 桥墩交接墩盖梁跨中正弯矩图

三种计算模式下交接墩盖梁最小弯矩（桥墩位置）比较分析（详见图3.2 桥墩交接墩盖梁墩顶负弯矩图），传统计算方法为10099.4Knm，优化计算方法一为 5854.1Knm，优化计算方法二为5864.3Knm，结算结果表明：采用优化计算，对减少盖梁正弯矩作用明显，优化计算方法一减少到传统计算方法的58.0%，优化计算方法一减少到传统计算方法的58.2%。

图3.2 桥墩交接墩盖梁墩顶负弯矩图

三种计算模式下，交接墩盖梁最大剪力（桥墩位置）比较分析（详见图3.3 桥墩交接墩盖梁最大剪力图），传统计算方法为3553.5Kn，优化计算方法一为 2059.8Kn，优化计算方法二为2063.3Kn，结算结果表明：采用优化计算，对减少盖梁正弯矩作用明显，优化计算方法一减少到传统计算方法的58.0%，优化计算方法一减少到传统计算方法的58.1%。

图3.3 桥墩交接墩盖梁最大剪力图

三种计算模式下，交接墩盖梁最小剪力（桥墩位置）比较分析（详见图3.4 桥墩交接墩盖梁最小剪力图），传统计算方法为3553.5Kn，优化计算方法一为 2059.8Kn，优化计算方法二为2063.3Kn，结算结果表明：采用优化计算，对减少盖梁正弯矩作用明显，优化计算方法一减少到传统计算方法的58.0%，优化计算方法一减少到传统计算方法的58.1%。

图3.4 桥墩交接墩盖梁最小剪力图

3 计算结果分析

通过第3 节的数据结果可知：采用两种优化设计方法，可以显著的降低交接墩盖梁内力，减少幅度约在40%左右。

传统计算方法，偏保守

从数据上看，传统计算方法较两种优化计算方法要保守的多，计算结果基本上是两种优化计算方法的1.7 倍左右。采用这种方法分析计算，往往桥梁交接墩位置的盖梁要比过渡墩的盖梁内力要大的多。

从桥梁纵向行车整体因素来考虑，这是不应该的。而且用传统的计算方法出来的交接墩盖梁，因内力较大，往往导致尺寸较大，同时也要提高相应桥墩直径和桩基直径，对下部结构的计算结果影响很大。

优化计算方法一，计算结果合理

优化计算方法一，利用交接墩盖梁在相邻两联位置行车桥面连续性质，按一整联的整体考虑，从车道荷载的布置方式表达上，把交接墩盖梁当成过渡墩盖梁，与实际盖梁受力相符，能更准确的表达出盖梁的受力状态，更真实的表达出盖梁的真实受力，更能趋于盖梁的受力临界极限。确实能够优化交接墩盖梁内力。按这种方法计算的交接墩盖梁尺寸与过渡墩盖梁尺寸相近。

优化计算方法二，计算结果合理

优化计算方法二，是在传统计算方法上的优化，不仅把相邻两联分开考虑，同时考虑到重型车作用长度，不让前后两个重型车在交接墩位置重叠布载，解决了传统计算方法的简单罗列叠加，与桥梁实际运营情况相符且保守，不仅能满足盖梁的内力设计需求，也可以高效细化盖梁尺寸，优化桥下空间。

优化计算方法一采用“合并”整联的影响线加载，计算方法二采用固定局部荷载、集中荷载加载方式，两者计算结果都与相邻两联的跨径有关，通过细化研究表明：在相邻两联跨径都减小的情况下，优化计算方法一计算结果较优化计算方法二计算结果更接近设计临界值。