簡支梁（板） 橋截面設(shè)計探討

徐明芳

（黔南交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 都勻 558000）

梁、板橋當(dāng)跨徑較小時，其占的空間高度是較小的，當(dāng)受最大洪水位控制和通航要求限制時，不得不加大跨徑，采用跨徑大的橋梁結(jié)構(gòu)尺寸高度較大，需要提高道路設(shè)計標(biāo)高來滿足受限要求，這樣既增高了墩、臺高度又增加了橋梁引道的工程數(shù)量，造成浪費(fèi)。

板橋具有設(shè)計計算簡單，便于架設(shè)施工支架和施工控制的優(yōu)點(diǎn)。一般跨徑不宜大于13 米，5 至10 米可以采用實心截面，13 至16 米采用空心板，20 米做成箱梁，13 到20 米的梁高從0.7 米到1.3 米，梁高逐漸增高，占據(jù)了空間?？招陌搴拖淞菏┕r控制芯模定位比較困難，拆除芯模則更不容易，因此施工單位多數(shù)是將其殘留在板中，給橋梁增加了荷載，若模板腐爛將影響橋梁使用的耐久性。

假設(shè)把梁優(yōu)化成邊梁，行車道部分用邊梁支撐的“槽形斷面”就可以少占橋下空間。如圖-1 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。

1 設(shè)計上需要注意的事項

1.1 考慮設(shè)計截面便于施工

板橋施工一般采用整體支架現(xiàn)澆，支模時控制細(xì)部構(gòu)造尺寸的準(zhǔn)確精度要嚴(yán)格，尺寸的準(zhǔn)確性會影響后期的使用質(zhì)量。因此在選擇截面形狀時是設(shè)計人員必須慎重考慮的問題，既要滿足結(jié)構(gòu)輕盈美觀，又要滿足施工方便為著手點(diǎn)。眾所周知方便施工支模的截面只有T 形和板，因為沒有芯模只需要拆除外模就可以了。

1.2 設(shè)計截面應(yīng)具有足夠的剛度

截面輕質(zhì)且高剛度能達(dá)到費(fèi)用省的目的，除了要滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求外，還有滿足持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力要求。這些要求必須選擇好構(gòu)件的材料和幾何形狀。特別是截面的幾何形狀是材料發(fā)揮其性能的關(guān)鍵?！安坌徒孛妗本褪怯眠吜杭哟笳麄€截面的抗彎剛度，使橋梁在荷載作用下?lián)隙仍诳刂品秶鷥?nèi)。

2 計算方法

單梁法的計算結(jié)果，只能算出縱向抗彎、抗剪和裂縫的內(nèi)力值，對跨寬比小于2 的板式結(jié)構(gòu)，還需要計算橫向截面的內(nèi)力值。因此，在結(jié)構(gòu)分析時按雙向板計算，采用Midas civil 按梁格法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

梁格法能計算縱、橫向的受力結(jié)果，能準(zhǔn)確計算各個細(xì)部截面的內(nèi)力值，便于鋼筋配置。因此在11.5 米寬，5 到20米跨徑內(nèi)的“槽型”斷面結(jié)構(gòu)采用梁格法分析是合理的計算方法。

3 梁格模型的建立

3.1 槽型板（梁） 的梁格縱橫向梁格的劃分

將截面按1 米寬，共設(shè)10 根縱梁和兩根0.75 米的邊縱梁，橫向設(shè)端橫梁和1 米寬的橫梁。截面考慮X、Y、Z 6 個方向的約束，再加翹曲效果共7 個約束進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果表明考慮翹曲效果和不考慮翹曲效果情況下，恒載、汽車荷載的內(nèi)力值差別很大。作為整體板計算是必須考慮翹曲效果的。

縱向梁格按1 米單元劃分，邊板拆分成“L”型，橫向梁格間距以不大于縱向梁格間距控制，縱梁與橫梁剛結(jié)，縱梁支座位置用彈性連接模擬，橫梁置于邊梁重心位置連線上，具體見圖-2。

3.2 支座的剛度計算

支座模擬是橋梁計算的關(guān)鍵，采用不合理的約束條件得到的結(jié)構(gòu)差異很大，做結(jié)構(gòu)設(shè)計時要分具體情況對待，應(yīng)與實際情況相符才是可取得計算值。

板式橡膠支座的剛度計算式：

單元局部坐標(biāo)系X，軸方向剛度：SDx=EA/L

單元局部坐標(biāo)系Y，Z 軸方向剛度：SDy =SDz=GA / L

單元局部坐標(biāo)系X，軸方向轉(zhuǎn)動剛度：SRx=GIp/L

單元局部坐標(biāo)系Y，軸方向轉(zhuǎn)動剛度：SRy=EIy/L

單元局部坐標(biāo)系Y，軸方向轉(zhuǎn)動剛度：SRz=EIz/L

式中：E、G 為板式橡膠支座抗壓、抗剪彈性模量；A為支座承壓面積；Iy , Iz 為支座承壓面對局部坐標(biāo)軸y、z 的抗彎慣性矩；Ip 為支座抗扭慣性矩；L 為支座凈高。

由于結(jié)構(gòu)為多支座支撐，建模時只考慮了SDx、SDy 、SDz 的約束剛度。支座具體布置見圖-3

3.3 端橫梁的作用

端橫梁的尺寸大小影響結(jié)構(gòu)中部板內(nèi)力值的變化，靠近支座位置出現(xiàn)負(fù)彎矩，在與邊梁、人行道相交附近出現(xiàn)大的彎矩和剪力，通過調(diào)整可得到其滿意（合理） 值。因此結(jié)構(gòu)計算時必須驗算端橫梁的強(qiáng)度，圖-4 是端橫梁在恒載汽車荷載（偏載） 作用下的內(nèi)力圖。

3.4 邊梁的設(shè)置

邊梁是用于支撐橫向結(jié)構(gòu)的主要承構(gòu)件，他的高矮對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值影響相當(dāng)大，一般情況下邊梁超出人行道1.1 至1.5 米即可。表-1 為20 米截面邊梁不同高度的中央單元恒載和車輛荷載的內(nèi)力值。

表-1

通過表-1 可以看出，邊梁的高低對板內(nèi)力值的影響很大，調(diào)整邊梁可改變板中央部分的內(nèi)力值。

在圖-5 中可看出汽車荷載在偏載作用下對邊梁的內(nèi)力影響情況，計算邊梁時必須考慮偏載作用。

3.5 荷載工況對結(jié)構(gòu)的影響

在梁格結(jié)構(gòu)中考慮了混凝土收縮、徐變、系統(tǒng)溫度，溫度梯度對結(jié)構(gòu)的影響。

通過計算發(fā)現(xiàn)收縮、徐變對邊梁有影響，系統(tǒng)溫度對整個結(jié)構(gòu)影響很小，溫度梯度對板部分單元的影響很大，在靠近邊梁的單元彎矩值和橫載彎矩值相當(dāng)。橋面鋪裝應(yīng)選擇瀝青混凝土，減小日照溫差對結(jié)構(gòu)的影響。

在輸入溫度梯度荷載時、只在縱向梁格單元輸入就可以了，由于縱橫梁格是剛結(jié)的，結(jié)構(gòu)會傳遞給橫梁單元。結(jié)構(gòu)自重在橫梁單元中應(yīng)將材料的容重按零輸入，否則軟件會計入重復(fù)的部分，影響計算結(jié)果。

3.6 汽車荷載分布計算

在進(jìn)行荷載布置時，必須建立橫梁組，由橫梁組來傳遞荷載的分布，否則靠近車道布置的單元結(jié)構(gòu)分擔(dān)的汽車荷載差異很大，影響成果的使用。布置車道時應(yīng)在中間和偏載兩種情況下計算，取其單元受力最大值進(jìn)行截面設(shè)計。中部板的恒載、汽車荷載作用下的內(nèi)力圖見圖-7。

3.7 結(jié)構(gòu)橫向計算

通過以上的計算橫向梁格的受力分析在結(jié)構(gòu)中有準(zhǔn)確的計算結(jié)果，可直接選擇需要計算的單元斷面進(jìn)行驗算即可。應(yīng)注意的是當(dāng)跨徑大于13 米時其結(jié)構(gòu)的基頻應(yīng)采用5.969386，即沖擊系數(shù)為0.3。圖-6 中汽車荷載的內(nèi)力圖是中部橫向板單元在偏載作用下的圖形，說明偏載對邊梁的影響較大。

3.8 沖擊系數(shù)計算

由于縱向是組合成的梁，橫向是板式結(jié)構(gòu)，用整體截面的剛度計算得的沖擊系數(shù)偏大，用離散的板單元截面的剛度計算得的沖擊系數(shù)偏小。由于考慮了翹曲效果的影響，結(jié)構(gòu)基頻計算只能用程序計算才是合理的，其不同跨徑的結(jié)構(gòu)基頻如表-2。

4 結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性

4.1 防撞擊設(shè)計

對于汽車行駛過程中對護(hù)欄或人行道的撞擊，設(shè)計時必須采取有效措施。槽型斷面的弱點(diǎn)跟中、上承式的拱圈，斜拉橋、吊橋的索塔一樣，必須要設(shè)防撞保護(hù)設(shè)施，如圖-1 所示。在所有防撞設(shè)施中，為了減輕橋梁自重，建議采用金屬梁柱式護(hù)欄。

4.2 裂縫寬度要求

表2 Midas 程序計算的結(jié)構(gòu)基頻

在結(jié)構(gòu)計算中，為提高橋梁的使用質(zhì)量，橋梁的裂縫寬度考慮在0.16mm 以內(nèi)。

4.3 橋面附屬設(shè)施

由于橋梁人行道的不安全因素，在人行道與行車道之間貴州省要求設(shè)防護(hù)設(shè)施。盡量減少行人在車輛失控的狀態(tài)下受到的傷害。

5 槽型截面的特點(diǎn)

5.1 結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)

槽型截面為組合式截面，由一個實心板截面在加上兩個倒“L”型截面組成，具有倒“T”型截面的特點(diǎn)。把腹板既當(dāng)欄桿使用又當(dāng)橫向板的支撐梁，充分發(fā)揮了截面的抗彎能力。槽型截面具有面積較小，抗彎剛度大，施工便于支模的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)計算中只要滿足縱、橫向承載能力要求即可。

通過計算行車道中央橋面板厚度一般控制在跨徑的二十到五十分之一，即可滿足結(jié)構(gòu)要求。

5.2 槽型截面和矩形板、空心板、箱梁的比較

用一組5 到20 米的橋?qū)挒?1.5 米寬的“槽型截面”板（梁） 橋和5 到10 米的矩形板、13 米和16 米空心板、20 米箱型梁進(jìn)行受力分析后得到的工程數(shù)量和撓度值進(jìn)行比較，見表-3、表-4。

表3 5-20 米槽形截面橋梁工程數(shù)量

表4 5-20 米實心板、空心板、箱梁工程數(shù)量

通過設(shè)計分析，槽型截面在抗彎、抗剪、抗扭、抗裂縫能力上優(yōu)越于實心截面和空心板截面。當(dāng)橋梁跨徑在16 米及以下時，使用槽型截面鋼筋用量少，自重?fù)隙群突钶d撓度小，且對鋼筋需求量少，更經(jīng)濟(jì)。可在16 米及以下的橋梁中的推廣。

5.3 工程應(yīng)用實例

目前在工程上只在人行橋上較少使用，在車行橋中未得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)語

槽型截面優(yōu)點(diǎn)在于抗彎剛度大，截面面積較梁板橋小，鋼筋用量比同類梁板橋少，撓度能達(dá)到同類梁板橋的要求，不需要做人行道欄桿，施工中方便支模、拆模。由于邊梁成為主要受力結(jié)構(gòu)，存在需為邊梁設(shè)防撞設(shè)施的缺點(diǎn)。但是，通過在人行道內(nèi)側(cè)設(shè)置金屬梁柱式護(hù)欄，既保障橋上行人的安全，又巧妙地彌補(bǔ)了該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使得槽型截面在車行橋中可以進(jìn)行推廣。對不同跨徑的中部梁格進(jìn)行內(nèi)力統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由于寬跨比不一樣其恒載、汽車荷載的內(nèi)力值沒有規(guī)律變化，只能對不同的寬跨比都要進(jìn)行具體的計算。