鋼－預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋鋼箱長度參數(shù)研究＊

丁 威 何雄君

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

鋼－預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋是借鑒鋼－混凝土疊合梁橋技術(shù)發(fā)展起來的，使之成為更加適宜平原區(qū)通航河道推廣應(yīng)用的新型橋梁結(jié)構(gòu).它將承受正彎矩部分采用鋼結(jié)構(gòu)，而承受負(fù)彎矩部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮2種材料不同的物理力學(xué)性能特點(diǎn)，最大限度地追求高性能、低造價(jià)［1］，形成強(qiáng)度高、剛度大、動(dòng)力性能好的結(jié)構(gòu)形式，可以減少自重，降低造價(jià)，節(jié)約模板并減少支模工序從而縮短施工周期.不僅可以很好地滿足結(jié)構(gòu)的功能要求，而且還具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，在橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景［2］.

關(guān)于鋼箱長度的選擇，確定鋼箱與混凝土箱梁相結(jié)合的位置是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).鋼和混凝土這兩種材料相互結(jié)合，易引起界面滑移、豎向掀起［3］，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求能比較流暢地傳遞各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力及變形.另外結(jié)合部位置應(yīng)具有良好的抗疲勞性和耐久性，在外形上也要求鋼箱梁和混凝土箱梁的過渡比較柔和一致.本文以浙江318國道長橋大橋——三跨預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋?yàn)槔?，采用MIDAS／Civil軟件建立了不同的鋼箱長度參數(shù)的模型，計(jì)算分析了恒載與活載下的關(guān)鍵截面隨鋼箱長度參數(shù)變化的力學(xué)特征，研究了反彎點(diǎn)位置隨鋼箱長度參數(shù)變化的規(guī)律，得到一些合理選擇鋼箱長度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一些結(jié)論.

1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主橋上部結(jié)構(gòu)采用45m＋80m＋45m 變截面鋼混合連續(xù)箱梁（見圖1），主跨為65m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁＋40m 鋼梁＋65m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁.其中：跨中40 m 鋼梁（橫斷面圖見圖2），梁高均為1.5m，縱向分5片工廠化制作，邊箱寬度為2.75m，次邊箱寬度為2.174m，中箱寬度為2.202m，現(xiàn)場吊裝焊接；預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁高度按二次拋物線變化，主墩支點(diǎn)處梁高4.5m，邊墩支點(diǎn)處梁高1.7m，中跨與鋼箱梁相接處梁高1.5m，采用單箱雙室斷面，頂寬12.25m，底寬8.75m，懸臂長1.75m.設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：公路I級(jí)，抗震設(shè)防烈度為IV 度.

圖1 318國道長橋大橋主橋立面圖（尺寸單位：cm）

圖2 318國道長橋大橋鋼箱梁橫斷面圖（單位：mm）

G318國道長橋大橋鋼混結(jié)合段采用設(shè)置鋼接頭實(shí)現(xiàn)干接法連接，其具體結(jié)構(gòu)見圖3、圖4.

圖3 G318國道長橋大橋鋼混連接構(gòu)造圖

圖4 鋼接頭構(gòu)造圖

通過制作鋼接頭，并將鋼接頭預(yù)埋至混凝土箱梁中跨懸臂端，實(shí)現(xiàn)混凝土箱梁與鋼箱梁之間焊接連接.

2 理論分析

假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為等截面梁，將其中跨分成3等份，每份長26.67 m.假定只考慮自重效應(yīng)，跨中部分的自重集度為P1，其余部分的集度為P2［4］，見圖5.

可以計(jì)算出跨中支點(diǎn)處負(fù)彎矩為186.8P1＋270.1P2，跨中截面正彎矩為257.7P1＋85.4P2，而鋼箱梁的重量大約相當(dāng)于等效混凝土梁重量的30%，支點(diǎn)負(fù)彎矩和跨中正彎矩將會(huì)減小大約1／3，對(duì)大跨徑的混凝土橋梁來說，降低1／3的負(fù)彎矩（中間2支座處）是非常有利的.

基于上述理由，跨中鋼梁越長，中間兩支座處負(fù)彎矩絕對(duì)值越小，增大了中跨的跨越能力，但是鋼箱梁的造價(jià)遠(yuǎn)高于混凝土梁，如果再考慮造價(jià)因素，從理論上可以估算出鋼箱梁節(jié)段的合理長度.

圖5 跨中鋼箱的合理長度（單位：m）

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

結(jié)合現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［5－6］，以桿系理論為基礎(chǔ)，采用通用有限元軟件MIDAS／Civil對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.本文只針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析研究，故只對(duì)上部結(jié)構(gòu)建模，不考慮下部結(jié)構(gòu).每個(gè)模型由172個(gè)節(jié)點(diǎn)，93個(gè)單元組成.主梁采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力采用1860 MPa鋼絞線.模型計(jì)算時(shí)荷載包括梁的自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、活荷載等.結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖6.

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 鋼箱長度參數(shù)選擇

由于鋼混連接處是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，因此它應(yīng)位于中跨彎矩反彎點(diǎn)附近（彎矩較?。?，即鋼箱端部應(yīng)離中跨彎矩反彎點(diǎn)不遠(yuǎn).另一方面，根據(jù)上面的理論分析，鋼箱梁長度的確定，應(yīng)使中間兩支座處負(fù)彎矩及中跨跨中正彎矩絕對(duì)值較小，滿足所要求的中跨跨越能力.這是鋼－預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋鋼箱長度參數(shù)的確定原則.

通過對(duì)原始模型的鋼箱長度參數(shù)做一些改變，考慮鋼箱長度取為主跨（80 m）的0.4～0.6之間變化，按32，36，37，38，39，40，41，42，43，44，48m 這一系列不同的鋼箱長度參數(shù)進(jìn)行變化，其他參數(shù)均相同.由此分別建立了11個(gè)類似于如圖5所示的計(jì)算模型來探討3 跨鋼－預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋中跨鋼箱長度參數(shù)規(guī)律.

3.3 恒載、活載彎矩隨鋼箱長度參數(shù)變化規(guī)律

這里恒載包括自重、二期荷載、混凝土收縮徐變作用、次內(nèi)力效應(yīng)作用.活荷載主要針對(duì)的是車輛荷載作用，不考慮其偏心作用.恒載作用下結(jié)構(gòu)的彎矩形狀見圖7.研究的重點(diǎn)放在鋼箱上，僅列出鋼箱梁跨中截面彎矩隨鋼箱長度參數(shù)變化如表1所列［7］.

圖7 主橋結(jié)構(gòu)的彎矩圖

表1 鋼箱梁跨中截面彎矩隨鋼箱長度參數(shù)變化

3.4 恒載與組合荷載作用下反彎點(diǎn)位置隨鋼箱長度參數(shù)變化規(guī)律

中跨結(jié)構(gòu)存在2個(gè)對(duì)稱彎矩零點(diǎn)（即反彎點(diǎn)，見圖7）.恒載和組合荷載作用下反彎點(diǎn)之間的距離（反彎點(diǎn)間距）隨鋼箱長度參數(shù)變化見表2.反彎點(diǎn)間距也表示鋼箱梁兩反彎點(diǎn)之間的受正彎矩區(qū)域范圍的長度.

進(jìn)一步，恒載和組合荷載作用下反彎點(diǎn)與鋼箱梁端部的距離（反彎點(diǎn)端距）隨鋼箱長度參數(shù)變化見表3.反彎點(diǎn)端距也表示鋼混連接位置的合理性.

表2 鋼箱長度參數(shù)變化下2種荷載的反彎點(diǎn)距離 m

表3 鋼箱長度參數(shù)變化下2種荷載的反彎點(diǎn)端距 m

根據(jù)表1、表2和表3，綜合分析可知：

1）從表1來看，鋼箱梁跨中截面恒載彎矩隨鋼箱長度的增大而減小，鋼箱跨中截面活載彎矩隨鋼箱長度的增大而增大，但前者幅度比后者大.即總的來講，鋼箱跨中截面彎矩隨鋼箱長度的增大而減小.這也反證了理論分析的正確性.

2）表2說明了恒載和組合荷載作用下反彎點(diǎn)間距隨鋼箱長度參數(shù)變化.表3則說明，在鋼箱長度為32 m 時(shí)，反彎點(diǎn)與鋼箱梁端部的距離最小，即鋼混連接位置總彎矩最小，便于鋼混連接分析與設(shè)計(jì).但此時(shí)鋼箱梁跨中截面正彎矩與2支點(diǎn)截面的負(fù)彎矩絕對(duì)值卻最大，也就是說中跨跨越能力相對(duì)最小.318國道長橋大橋鋼箱梁選用40m，是同時(shí)綜合考慮反彎點(diǎn)位置與中跨跨越能力所確定的.

4 結(jié)束語

鋼箱梁長度是鋼－預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù).通過對(duì)鋼－預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋的鋼箱長度參數(shù)的研究，分析其力學(xué)特征.在主跨80m 的0.4～0.6倍范圍內(nèi)變化，結(jié)合恒載、活載作用計(jì)算，分析了關(guān)鍵截面處力學(xué)特征與反彎點(diǎn)位置.

鋼箱長度的確定規(guī)則為：（1）鋼箱端部應(yīng)離中跨彎矩反彎點(diǎn)不遠(yuǎn)，使鋼混連接處彎矩較??；（2）應(yīng)使中間兩支座處負(fù)彎矩及中跨跨中正彎矩絕對(duì)值較小，滿足所要求的中跨跨越能力.本文318國道長橋大橋鋼箱梁選用40m，是同時(shí)綜合考慮反彎點(diǎn)位置與中跨跨越能力所確定的應(yīng)用實(shí)例.

［1］劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］聶建國，劉 明，葉列平.鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］Ayoub A.A force－based model for composite steelconcrete beams with partial interaction［J］.Journal of Constructional Steel Research，2005，61（3）：387－414.

［4］唐建華，向中富，馮 強(qiáng)，等.特大跨連續(xù)剛構(gòu)橋研究與實(shí)踐：重慶長江大橋復(fù)線橋［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］中華人民共和國交通部.JTG D60－2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］中華人民共和國交通部.JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［7］吳中鑫，楊 平.鋼－預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁抗扭極限分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2010，34（2）：362－365.