淺談?lì)A(yù)應(yīng)力鋼-混組合箱梁橋設(shè)計(jì)

王佳

（合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041）

淺談?lì)A(yù)應(yīng)力鋼-混組合箱梁橋設(shè)計(jì)

王佳

（合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041）

以實(shí)際工程背景合肥市西二環(huán)集賢路立交為實(shí)例，通過方案比選，在跨徑、梁高、橋墩位置受限時(shí)采用預(yù)應(yīng)力鋼-混組合梁比鋼箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁更合理。同時(shí)采用有限元軟件，對預(yù)應(yīng)力鋼-混組合梁各構(gòu)件應(yīng)力、抗裂進(jìn)行分析，以及對主梁剛度及鋼構(gòu)件疲勞進(jìn)行分析，為今后類似工程提供參考。

預(yù)應(yīng)力鋼-混組合梁；方案比選；應(yīng)力；剛度；疲勞驗(yàn)算

0　引言

本文結(jié)合合肥市西二環(huán)-集賢路節(jié)點(diǎn)上跨立交第二聯(lián)三跨38+48+41.5（m）預(yù)應(yīng)力鋼-混組合箱梁實(shí)例，對該型橋梁在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納，以供類似工程參考與借鑒。

1　工程概況

合肥市西二環(huán)-集賢路節(jié)點(diǎn)互通立交含一個(gè)南北向由集賢路跨越西二環(huán)路的主線橋，以及一個(gè)由東向南從西二環(huán)路進(jìn)入集賢路的匝道橋。其中，主線橋位于第二層，匝道橋位于第三層。主線橋共三聯(lián)，其中，第二聯(lián)跨越二環(huán)路，為單向3車道，橋面凈寬11 m，兩側(cè)各設(shè)0.5 m防撞護(hù)欄。由于立交線形的限制，主線橋與二環(huán)路夾角為26°52′，該處二環(huán)路西側(cè)機(jī)動(dòng)車道寬14 m，東側(cè)機(jī)動(dòng)車道寬15.5 m，中間綠化帶寬度為3 m。由此，布置墩位確定主跨跨徑為 48 m，第二聯(lián)采用 38 m+48 m+41.5 m預(yù)應(yīng)力鋼-混組合梁橋。主線橋平面為S形曲線，第二聯(lián)兩端位于半徑350 m的圓曲線內(nèi)，中間為緩和曲線段。

2　橋型選擇

2.1橋型初選

針對城市跨線立交橋一般采用梁式橋的特點(diǎn)，第二聯(lián)初選三種橋梁形式，即預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，連續(xù)鋼箱梁及預(yù)應(yīng)力鋼-混組合梁。

2.2方案比選

由于橋下綠化帶較窄，主橋與二環(huán)路夾角小，導(dǎo)致中墩只能采用獨(dú)柱墩。選用鋼箱梁會(huì)由于梁體自身重量輕而容易產(chǎn)生傾覆的危險(xiǎn)；選用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁則會(huì)導(dǎo)致根部梁高較大，這樣會(huì)增加主線橋和匝道橋的橋長，不太經(jīng)濟(jì)，且施工期間影響交通。由此，可以考慮一種橋型在兼顧主梁高度盡量小的情況下還能保持梁體有足夠的自重防止傾覆的危險(xiǎn)，因此選用預(yù)應(yīng)力鋼-混組合梁較為合適。

3　設(shè)計(jì)思路

對于連續(xù)鋼-混組合梁橋，為了克服墩頂負(fù)彎矩對橋面板的影響，一般可以采用以下幾種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）在負(fù)彎矩區(qū)配預(yù)應(yīng)力鋼束；（2）給墩頂處鋼箱梁一個(gè)負(fù)沉降量，具體方法是拼裝完鋼箱梁后利用千斤頂將墩頂處主梁頂升，然后綁扎鋼筋，澆筑橋面板，最后將主梁歸位，實(shí)際上給主梁負(fù)彎矩處一個(gè)預(yù)壓力。由于該橋中墩采用固定墩，故該橋采用第一種方法。

4　橋梁構(gòu)造

該聯(lián)主梁梁高2.3 m，采用單箱雙室斜腹板截面，扣除兩外側(cè)外包防撞護(hù)欄寬度10 cm后的箱頂寬11.8 m，鋼箱底寬6.194 m，鋼箱與混凝土橋面板采用剪力釘固定，頂板在剪力釘處厚40 cm，在箱室跨中板厚28 cm（見圖1）。橋面板部分縱向按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力束布置在橋面板上，采用14-φs15.2及15-φs15.2低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線；采用群錨體系，由塑料波紋管制孔，所有鋼束均采用兩端張拉。

圖1　鋼-混組合梁斷面圖（單位：cm）

鋼箱一般斷面底板厚24 mm，腹板厚16 mm，支點(diǎn)附近加厚至底板30 mm，腹板20 mm；橫隔板一般斷面厚16 mm，支點(diǎn)附近加厚至18 mm及20 mm，橫隔板間距4 m，支點(diǎn)處附近加密。固定墩處鋼箱內(nèi)填充C50無收縮混凝土。

5　計(jì)算模型

5.1計(jì)算模式

該聯(lián)采用MIDAS2012軟件進(jìn)行計(jì)算。采用空間桿系單元，共149個(gè)節(jié)點(diǎn)，142個(gè)單元，其模型見圖2所示。

圖2　鋼-混組合梁有限元模型

主梁采用組合截面，其中一個(gè)中間墩為固定墩，采用鋼管混凝土柱，模型中也采用組合截面，施工中考慮施工聯(lián)合截面效應(yīng)。

5.2施工階段劃分

施工階段劃分內(nèi)容見表1。

表1　施工階段劃分表

6　結(jié)果分析

6.1鋼箱截面施工階段應(yīng)力驗(yàn)算

鋼箱截面在各施工階段應(yīng)力狀況如圖3～圖9所示。

圖3　第一施工階段應(yīng)力云圖

圖5　第三施工階段應(yīng)力云圖

圖6　第四施工階段應(yīng)力云圖

圖7　第五施工階段應(yīng)力云圖

圖8　第六施工階段應(yīng)力云圖

圖9　第七施工階段應(yīng)力云圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，施工階段鋼箱截面上下緣最大壓應(yīng)力為169.5 MPa，最大拉應(yīng)力為80.1 MPa，Q345q-C鋼材允許彎曲應(yīng)力為〔σw〕=210 MPa。

施工階段鋼箱截面上下緣應(yīng)力極值均未超過容許值，滿足規(guī)范要求。

6.2橋面板截面施工階段應(yīng)力驗(yàn)算

橋面板截面在各施工階段應(yīng)力狀況如圖10～圖15所示。

圖10　第二施工階段應(yīng)力云圖

圖11　第三施工階段應(yīng)力云圖

圖12　第四施工階段應(yīng)力云圖

圖13　第五施工階段應(yīng)力云圖

圖14　第六施工階段應(yīng)力云圖

圖15　第七施工階段應(yīng)力云圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，施工階段橋面板截面上下緣最大壓應(yīng)力為12.6 MPa，最大拉應(yīng)力為1.36 MPa，該點(diǎn)為預(yù)應(yīng)力最長束T5錨固點(diǎn)，結(jié)果可忽略，其它點(diǎn)均為壓應(yīng)力。施工階段C50混凝土容許壓應(yīng)力為，容許拉應(yīng)力為：。

施工階段橋面板截面上下緣應(yīng)力極值均未超過容許值，滿足規(guī)范要求。

6.3鋼箱截面正常使用階段組合應(yīng)力驗(yàn)算

正常使用極限狀態(tài)下，鋼箱截面在標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下應(yīng)力達(dá)到最大，應(yīng)力狀況如圖16、圖17所示。

組合1（支座沉降+移動(dòng)荷載+整體降溫+梯度降溫+恒荷載+鋼束一次+鋼束二次+徐變二次+收縮二次）系數(shù)均為1。

圖16　標(biāo)準(zhǔn)值組合主截面正應(yīng)力云圖1

組合2（支座沉降+移動(dòng)荷載+整體升溫+梯度升溫+恒荷載+鋼束一次+鋼束二次+徐變二次+收縮二次）系數(shù)均為1。

圖17　標(biāo)準(zhǔn)值組合主截面正應(yīng)力云圖2

組合截面的受剪承載力驗(yàn)算，全截面豎向剪力如圖18所示。

圖18　標(biāo)準(zhǔn)值組合鋼箱梁截面豎向剪力云圖

由圖18可知最大豎向剪力為9 155.2 kN?？梢员Ｊ卣J(rèn)為全部剪力由鋼箱腹板承受，腹板的剪應(yīng)力大小為：V/（hw×tw）=9155.2/（3×0.018×1.645）= 103 064.3（kN/m2）=103.1（MPa）＜120 MPa。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，正常使用階段主截面上下緣最大壓應(yīng)力為177.3 MPa，最大拉應(yīng)力為51.4 MPa；最大剪應(yīng)力為103.1 MPa；Q345q-C鋼材允許彎曲應(yīng)力為〔σw〕=210 MPa，允許剪應(yīng)力〔τ〕=120 MPa。

正常使用階段主截面上下緣應(yīng)力極值均未超過容許值，滿足規(guī)范要求。

6.4橋面板截面正常使用階段應(yīng)力驗(yàn)算

正常使用極限狀態(tài)下，橋面板應(yīng)力狀況如圖19、圖20所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，橋面板截面在正常使用階段長期效應(yīng)組合下，上下緣只在最長的T5束張拉端一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拉應(yīng)力，其余均為壓應(yīng)力；短期效應(yīng)組合下，上下緣只在最長的T5束張拉端一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拉應(yīng)力，其余均為壓應(yīng)力；標(biāo)準(zhǔn)值組合下，最大壓應(yīng)力為8.78 MPa。

圖19　短期效應(yīng)應(yīng)力云圖

圖20　長期效應(yīng)應(yīng)力云圖

根據(jù)規(guī)范要求，A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件作用長期效應(yīng)組合下不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。作用短期效應(yīng)組合下，C50混凝土容許拉應(yīng)力為：［σtp］=0.7× 2.65=1.855（MPa），容許主拉應(yīng)力為：［σtp］=0.5× 2.65=1.325（MPa）；C50混凝土容許法向壓應(yīng)力為［σkc+σpt］=0.5×32.4=16.2（MPa），容許主壓應(yīng)力為［σcp］=0.6×32.4=19.44（MPa）。

正常使用階段橋面板上下緣應(yīng)力極值均未超過容許值，滿足規(guī)范要求。

6.5鋼束應(yīng)力驗(yàn)算

正常使用極限狀態(tài)荷載作用下，箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束最大拉應(yīng)力為1 181（MPa），容許最大拉應(yīng)力為0.65×1860=1 209（MPa），滿足規(guī)范要求。

6.6主梁剛度驗(yàn)算

汽車（不計(jì)沖擊）作用下截面的最大撓度允許值為：

邊跨 ：L/800=41500/800=51.9（mm）（其中L為計(jì)算跨徑）。

中跨：L/800=48000/800=60.0（mm）（其中L為計(jì)算跨徑）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，活載作用下中跨跨中節(jié)點(diǎn)豎向最大向下位移為11.8 mm＜60 mm，邊跨跨中節(jié)點(diǎn)豎向最大向下位移為9.9 mm＜51.9 mm，滿足要求。

6.7鋼構(gòu)件疲勞驗(yàn)算

該橋主要對不同厚度的底板相接處及橋墩墩頂處、跨中等應(yīng)力較大的地方進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。

底板變厚度相接處的橫向?qū)雍缚p主體驗(yàn)算，可知容許應(yīng)力幅為114.6（N/mm2）。

表2和表3為各跨底板不同厚度相接處的應(yīng)力最大值與最小值，其中25節(jié)點(diǎn)為第一跨，55節(jié)點(diǎn)及73節(jié)點(diǎn)為第二跨，105節(jié)點(diǎn)為第三跨?？梢钥闯龈鼽c(diǎn)的應(yīng)力幅值均小于允許應(yīng)力幅值，滿足要求。

從模型里可以查出中墩墩頂處的最大、最小應(yīng)力值，其中40節(jié)點(diǎn)為P4墩墩頂節(jié)點(diǎn)，88節(jié)點(diǎn)為P5墩墩頂節(jié)點(diǎn)，可以看出各點(diǎn)的應(yīng)力幅值均小于允許應(yīng)力幅值，滿足要求。

7　結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算分析，主梁在施工階段及使用階段橋梁各部分應(yīng)力驗(yàn)算、抗裂驗(yàn)算、主梁剛度驗(yàn)算，以及鋼構(gòu)件疲勞驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

該橋的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于橋面板的預(yù)應(yīng)力設(shè)置，以及固定墩的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中需要注意合理設(shè)置臨時(shí)支撐點(diǎn)，注意預(yù)應(yīng)力張拉順序，同時(shí)由于鋼與混凝土兩種材料不同的特性，橋面板采用鋼纖維混凝土能提高混凝土的抗裂性能。

表2　各跨底板不同厚度相接處的應(yīng)力最大值與最小值一覽表（1）　N/mm2

表3　各跨底板不同厚度相接處的應(yīng)力最大值與最小值一覽表（2）　N/mm2

8　結(jié)　語

鋼-混組合梁是一種增加跨越能力、降低主梁高度的新型橋型。該橋型有效地利用了混凝土受壓性能強(qiáng)及鋼材受拉性能強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)該橋施工速度快，對橋下交通影響小。在梁高有限制、城市跨線橋受施工條件的限制或?yàn)榱思涌焓┕に俣鹊惹闆r下，是較適用的橋型。

U442.5

B

1009-7716（2016）01-0051-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.016

2015-09-09

王佳（1985-），男，湖北黃梅人，碩士，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。