长江勘测规划设计研究有限责任公司 湖北武汉 430010
摘要：近年来，由于我国城市化建设的不断发展，城市道路与河道交织越趋复杂，常会出现道路交叉口位于河道蓝线范围内的情况。道路交叉口转弯半径和转弯长度较小，为满足道路总体线形要求，桥梁设计时需设置异形板。在景观要求高的桥梁上，异形板边缘构造线需与道路转弯弧线一致，板型受力复杂。
关键词：交叉口；异形板；无粘结预应力；有限元计算
引言
随着交通运输的发展，尤其是高速公路、城市立交和高架道路的日益增多，不规则形状的异形板桥得到了越来越广泛的应用。异形板桥不仅能满足道路线形、建筑净空和行车舒适度的使用要求，而且具有很好建筑美观效果。但是，异形板桥比普通直线正交板桥受力复杂，结构设计难度大，空间受力分析和支座布置更是此类桥梁分析与设计的关键和难点所在，受到工程界的普遍关注。
1异形板预应力设计
某桥梁上部结构采用刚接先张预应力空心板，边跨交叉口处边板采用现浇异形板，板厚65cm。跨径11.4m，北侧异形板转弯幅度大，桥墩处截面宽1.193m，桥台处截面宽6.55m，计算跨径10.86m，桥墩处设置2个支座，桥台处设置8个支座，形成三角板受力体系。如采用普通钢筋混凝土结构，挠度与裂缝均较难控制，大量布置普通钢筋，亦不符合桥梁精细化设计要求；同时由于中板均为预应力结构，与异形板刚接时变形协调尤为重要。本工程采用单端张拉的后张预应力结构，对采用的预应力形式进行比选。
1.1无粘结预应力设计
无粘结预应力体系可发散布置预应力钢束，较好适应异形板实际受力。采用15根φS15.2-1钢绞线，窄截面端（固定端）分3束集中锚固，宽截面端（张拉端）分散张拉，钢束竖弯与常规简支梁钢束布置一致，支点处弯起。每根钢绞线在固定端采用平弯（平直段≥1.0m）过渡，使钢绞线平行锚入固定锚具，保证张拉力有效传递。固定端采用3个扁形夹片锚具（群锚），张拉端采用15套单孔挤压锚具。无粘结钢束无须预埋管道，只需间隔设置马凳筋，在板厚有限的情况下，普通钢筋布设更为方便，更能保证施工质量。
1.2有粘结预应力设计
1）平面异形板钢束稀疏，远离钢束的混凝土受拉区易开裂。
2）用以抵抗弯曲钢束力矩的抗崩钢筋，使异形板受力复杂，且与中板（近似纯受弯构件）受力差异大，使成桥受力不稳。
3）异形板厚仅65cm，实际施工中，预应力管道对普通钢筋绑扎干扰大，难以保证成桥质量。
2建模分析
对该异形板采用Midas软件进行建模分析计算，分析边板的受力特点。因为边板形状不规则，为了在建模时更精确的模拟边板的实际形状及受力形式，故采用梁格法建模。
2.1梁格法简介
梁格法的主要思路就是将上部结构用一个等效的平面梁格或空间构架来模拟。将分散在板式或箱梁每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内，实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内，而横向刚度则集中于横向梁格构件内。梁格法是一种将空间分析近似为平面干系分析的方法，精确程度可以满足工程需求。其主要针对的是宽跨比较大的直线桥以及圆心角较大的曲线梁桥，只所以需要用梁格子体系来分析结构，就是因为原本当作干系构件的梁因为承受了不能忽视的扭矩以及横向弯曲作用。如对于直线宽桥，活载的偏心布置所产生的扭矩不能简单的用偏载系数这一概念简化。而对于曲线梁桥更是如此，首先恒载的不对称就会产生一部分扭矩，这种效应更使结构不能再用一根杆来进行分析计算。如果不在杆件上添加扭矩，就要使用梁格法以增加横向杆件数量。
梁格的划分需要保证荷载的正确传递，横向杆件的间距不宜超过纵向梁肋的间距。也就是说纵向梁格的划分以横向梁格划分为标尺，而横向的梁格划分又得遵循划分后各个梁格的中性轴与原截面保持在同一水平高度处（主要是保证梁格纵向弯曲与原结构的等效性）。
2.2建模过程
具体建模过程如下：
（1）创建材料，本桥采用C40混凝土。
（2）在CAD中画出各截面图，并利用Midas中的截面特性计算器导入到Midas中，建立所需的截面。因为悬臂板需要采用变截面，故先在模型截面中创建变截面。
（3）建立节点，再根据梁格的划分来建立单元（本模型共124个节点，174个单元）。根据各单元实际的材料及截面进行拖放来实现材料和截面的赋值。
（4）针对悬臂端的变截面，还需要建立变截面组，将各变截面单元拖放至组中，本模型共五个变截面组。
3静力计算结果及分析
3.1异形板计算分析及配筋设计
3.1建立计算模型
本桥异形板两端宽度差异大，形成三角板受力体系，两端简支。根据受力特点，对结构进行简化，通过大型有限元软件建立实体模型，建立7991个混凝土实体单元和300个钢绞线单元。按施工步骤进行建模，考虑自重、二期恒载、梯度温度、整体温度、汽车荷载及人群荷载，其中汽车荷载采用车辆荷载布置在跨中。边界条件按实际结构的简支支承模拟。
3.2静力计算结果及分析
3.2.1正截面抗裂计算
按A类预应力构件进行控制验算，荷载频遇组合下，抗裂验算边缘混凝土的法向应力σst=3.41N/mm2，扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土预压应力σpc=2.29N/mm2。根据规范要求，在荷载频遇组合下受拉边缘应力σst-σpc=1.12N/mm2＜0.7ftk=1.855N/mm2，受拉边缘应力满足要求。
3.2.2斜截面抗裂计算
验算本构件跨中处换算截面中心位置。由计算结果可知主拉应力σtp=0.24N/mm2＜0.5ftk=1.325N/mm2，主压应力要求σcp=11.2N/mm2＜0.6fck=19.44N/mm2，可见换算截面重心位置处斜截面抗裂度验算满足要求。
3.3钢筋设计
设计中考虑无粘结预应力混凝土构件受弯时，无粘结筋和混凝土发生纵向相对滑动，当受压区混凝土达到极限应变时，无粘结筋应变增量小于有粘结筋；受弯构件破坏时，无粘结筋极限应力小于最大弯矩截面处有粘结筋极限应力，导致无粘结受弯构件极限承载能力低于有粘结受弯构件。
无粘结预应力受弯构件应配置普通钢筋以改善构件工作性能，规范中规定受拉区普通钢筋配筋率不小于0.3%，本桥异形板纵向普通钢筋采用发散布置。
结语
本工程摒弃过去粗放的普通钢筋混凝土异形板设计，采用提高成桥质量的预应力异形板结构。通过对现浇异形板预应力体系比选分析，利用实体有限元软件对无粘结预应力异形板进行研究计算，提出在设计该类截面宽度变化较大的交叉口异形板时，采用无粘结预应力体系，钢筋发散布置，结构受力更合理，可为类似工程提供借鉴。
参考文献
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