55 m鋼箱簡(jiǎn)支梁上部結(jié)構(gòu)分析及研究

□□

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

引言

最近幾年，太原市步入城市立體交通建設(shè)的高峰期，大量的橋梁得以建設(shè)并通車，雖然與北、上、廣、深等一線城市相比太原市大規(guī)模的高架橋建設(shè)起步較晚，但兩年內(nèi)已建成通車十余座橋梁，大大緩解了城市交通擁堵的狀況。在目前已建成的橋梁中，有很大一部分采用的是鋼結(jié)構(gòu)。鋼箱梁橋具有施工方便、病害少、對(duì)橋下被交路的交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，所用鋼材也往往因工廠批量化制造的優(yōu)勢(shì)而具有競(jìng)爭(zhēng)力，因而廣泛應(yīng)用于城市橋梁和高速公路的建設(shè)。本文通過(guò)對(duì)55 m鋼箱形簡(jiǎn)支梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析與驗(yàn)算，以期為今后鋼箱梁的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 設(shè)計(jì)資料

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)荷載等級(jí)：城市-A級(jí)。

(2)橋梁寬度：0.5 m(護(hù)欄)+2.5 m(人行道)+5.0 m(非機(jī)動(dòng)車道)+12.0 m(機(jī)動(dòng)車道)+1.5 m(中央分隔帶)+12.0 m(機(jī)動(dòng)車道)+5.0 m(非機(jī)動(dòng)車道)+2.5 m(人行道)+0.5 m(護(hù)欄)=41.5 m，分左右兩幅設(shè)計(jì)，兩幅橋面間距50 cm。

(3)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：城市主干道，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo=1.1。

(4)橋面鋪裝：4 cm細(xì)粒式密級(jí)配SBS改性瀝青混凝土AC-13C，6 cm中粒式密級(jí)配瀝青混凝土AC-20C，1 mm防水層，6 cm鋼纖維防水混凝土。

(5)交角：正交90°。

(6)環(huán)境類別：本工程橋梁結(jié)構(gòu)總體按Ⅱ類環(huán)境設(shè)計(jì)。

(7)地震烈度：地震峰值加速度為0.1g，特征周期值0.2 s，橋梁按Ⅶ度設(shè)防。

(8)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

1.2 主梁細(xì)部尺寸

圖1為主梁橫斷面一般構(gòu)造圖。其細(xì)部尺寸如下：

由于紫色很罕見(jiàn)，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，它都是皇室和貴族獨(dú)享的顏色，就像在古代中國(guó)，黃顏色象征著皇權(quán)一樣。

圖1 主梁橫斷面一般構(gòu)造圖

(1)單箱5室：頂板寬20.5 m，底板寬16.0 m。

(2)梁高：2.5 m。

(3)鋼梁頂板厚：25 mm。

(4)鋼梁腹板厚：20 mm。

(5)鋼梁底板厚：25 mm。

(6)縱向設(shè)置U型加勁肋，厚8 mm。

(8)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁段每3 m設(shè)置1道橫隔板，橫隔板厚10 mm、12 mm；鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁段每3 m設(shè)置1道橫向加勁肋，并與橫隔板交錯(cuò)布置，間距1.5 m，橫向加勁肋厚10 mm，有永久豎向支座處的橫隔板厚度為32 mm。

1.3 主要材料

鋼梁材質(zhì)為Q345qD，其性能應(yīng)符合GB/T 714—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的要求。剪切模量G=7.9×104MPa，抗彎彈性模量E=2.06×105MPa，彎曲容許應(yīng)力[σw]=210 MPa，剪切容許應(yīng)力[τ]=120 MPa，線膨脹系數(shù)k=0.000 012。

1.4 計(jì)算荷載

(1)自重：考慮鋼梁頂?shù)装?、腹板、橫隔板、加勁肋、鋪裝、護(hù)欄。

(2)強(qiáng)迫位移：基礎(chǔ)間不均勻沉降按1 cm計(jì)。

(3)溫度：JTJ 025—86《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》未對(duì)溫度荷載進(jìn)行說(shuō)明，故計(jì)算時(shí)按英國(guó)規(guī)范BS5400考慮不均勻升降溫，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度規(guī)定為20 ℃，寒冷地區(qū)最高和最低有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值為46 ℃和-21 ℃，按升溫、降溫分別為26 ℃、41 ℃考慮結(jié)構(gòu)整體升降溫。

(4)汽車荷載：城市-A級(jí)，沖擊系數(shù)按規(guī)范取用。

(5)人群荷載：3.5 kN/m。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 橋梁計(jì)算模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、幾何特性、邊界條件等必須與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型必須能反映結(jié)構(gòu)分階段形成的特點(diǎn)，以及正確反映各重要工況下的結(jié)構(gòu)特性及荷載狀況的原則，利用MIDAS Civil2012軟件建立了全橋有限元模型，將該大橋劃分為45個(gè)節(jié)點(diǎn)、40個(gè)單元(見(jiàn)圖1)，根據(jù)實(shí)際施工步驟確定計(jì)算工況。結(jié)構(gòu)離散圖如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖如圖3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)離散圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2.2 施工階段劃分

結(jié)構(gòu)分析施工階段按表1劃分。

表1 施工階段劃分

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

單孔55 m的簡(jiǎn)支鋼箱梁計(jì)算運(yùn)用Midas軟件進(jìn)行整體受力計(jì)算。分別對(duì)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)下進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算(破壞、傾覆驗(yàn)算)，在正常使用極限狀態(tài)下進(jìn)行剛度驗(yàn)算(裂縫、撓度驗(yàn)算)，計(jì)算結(jié)果需滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的各項(xiàng)規(guī)定。

3.1 承載能力極限狀態(tài)主梁體系驗(yàn)算

正截面抗彎承載力驗(yàn)算主要是對(duì)橋梁在承載能力極限狀態(tài)下的正截面抗彎進(jìn)行驗(yàn)算，即在活載和恒載的共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力是否超過(guò)結(jié)構(gòu)所能提供的最大抗力，如果超過(guò)，就會(huì)造成結(jié)構(gòu)的永久性破壞。圖4為鋼箱梁使用階段彎矩包絡(luò)圖，圖5為鋼箱梁使用階段剪力包絡(luò)圖。

圖4 鋼箱梁使用階段彎矩包絡(luò)圖

圖5 鋼箱梁使用階段剪力包絡(luò)圖

從以上驗(yàn)算圖可以看出，該橋梁設(shè)計(jì)滿足橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

在承載能力極限狀態(tài)下，鋼箱梁頂板及底板主梁體系下的應(yīng)力極值為：頂板最大拉應(yīng)力58.2 MPa，最大壓應(yīng)力84.4 MPa；底板最大拉應(yīng)力102.7 MPa，最大剪應(yīng)力36.8 MPa，均小于Q345鋼材的彎曲容許應(yīng)力及剪應(yīng)力(Q345相當(dāng)于JTJ 025—86《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的16Mn鋼，查該規(guī)范的表1.2.5得鋼材的彎曲容許應(yīng)力為210 MPa，容許剪應(yīng)力為120 MPa)，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 正常使用極限狀態(tài)主梁體系撓度驗(yàn)算

恒載作用下的位移圖見(jiàn)圖6，活載作用下的位移圖見(jiàn)圖7。

圖6 恒載作用下的位移圖

圖7 活載作用下的位移圖

如圖6和圖7所示，正常使用極限狀態(tài)下恒載作用下產(chǎn)生的豎向位移為74 mm，活載作用下產(chǎn)生的豎向位移為19 mm。

簡(jiǎn)支鋼箱梁由活載引起的豎向位移19 mm，而L/600=91.7(mm)，故滿足JTJ 025—86《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。根據(jù)橋涵規(guī)范，預(yù)拱度曲線應(yīng)與恒載和一半活荷載產(chǎn)生的撓度曲線基本相同，而方向相反，故跨中最大預(yù)拱度為：f=fp+1/2(fk)=74+10=84(mm)。

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算

3.3.1 鋼箱梁頂?shù)装寰植糠€(wěn)定性

鋼箱梁橋的整體剛度比頂?shù)装宓膭偠却蟮枚?，?duì)頂?shù)装宓木植糠€(wěn)定分析，可以近似簡(jiǎn)化為由箱梁腹板和橫隔板圍成的四邊簡(jiǎn)支加勁板。其頂?shù)装迤矫娌贾脠D如圖8所示。

圖8 鋼箱梁頂?shù)装迤矫娌贾脠D

(1)

3.3.2 鋼箱梁腹板局部穩(wěn)定性

鋼箱梁的腹板高度b=2 450 mm，腹板板寬t=20 mm，橫向加勁肋的距離a=1 500 mm。由整體計(jì)算可得承載能力極限狀態(tài)下腹板彎曲壓應(yīng)力較大值σ1=102.7 MPa，腹板彎曲壓應(yīng)力較小值σ2=-84.4 MPa，平均剪應(yīng)力τ=(0+36.8)/2=18.4(MPa)。

按照新修訂的《中國(guó)公路鋼橋規(guī)范(征求意見(jiàn)稿)》，對(duì)鋼箱梁腹板局部穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算：

(2)

由計(jì)算結(jié)果可知，腹板局部穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)行的JTJ 025—86《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》至今已實(shí)施將近30年。30年來(lái)，我國(guó)鋼橋的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)得到了前所未有的快速發(fā)展，但該規(guī)范所采用的允許應(yīng)力法理論計(jì)算較為籠統(tǒng)，不能充分反映不同荷載的統(tǒng)計(jì)特性，較多地依賴經(jīng)驗(yàn)，已無(wú)法滿足目前鋼橋的設(shè)計(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)的需求。

近些年，很多設(shè)計(jì)院對(duì)鋼箱梁進(jìn)行了較為深入的研究，并結(jié)合混凝土和鋼材的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展出了鋼混組合梁體系。相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋梁，鋼橋具有施工周期短、對(duì)環(huán)境污染小、橋梁病害少、梁體自重小等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前城市立交設(shè)計(jì)中較為合理的一種結(jié)構(gòu)，也是未來(lái)城市橋梁重點(diǎn)發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳沖.現(xiàn)代鋼橋(上冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 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.

[4] JTG D62—2004，公路橋鋼筋混凝土及預(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.

[5] JTJ 025—86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1986.