連續(xù)雙工字鋼板組合梁優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

李 井 輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166)

0 引言

鋼板組合梁橋是組合結(jié)構(gòu)橋梁的一種常見形式，由工字形鋼主梁、橫梁、混凝土橋面板、連接件、加勁肋組成，具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、受力明確、預(yù)制施工方便、易于維修養(yǎng)護(hù)、跨度適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)；本文介紹下30 m跨徑的連續(xù)雙工字鋼—混組合梁橋優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

1 30 m跨徑連續(xù)雙工字鋼—混組合梁橋簡(jiǎn)介

雙工字鋼板組合梁橋單幅橋面寬度為12.50 m，混凝土橋面板和鋼主梁、橫梁通過剪力釘連接；本次設(shè)計(jì)不設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，負(fù)彎矩區(qū)采用強(qiáng)配筋控制裂縫的模式，對(duì)應(yīng)的施工方案如下：

架設(shè)臨時(shí)墩→分段吊裝鋼梁→在臨時(shí)墩上將分段鋼梁拼接成整體→拆除臨時(shí)墩→吊裝預(yù)制橋面板→澆筑濕接縫→施工鋪裝及防撞墻。

橋梁斷面如圖1所示。

2 橋面板設(shè)計(jì)概述

鋼板組合梁的橋面板受力模式屬于雙向板、受力復(fù)雜，本次是通過建立板殼、實(shí)體模型來分析橋面板受力；模型中橋面板采用6面體單元模擬、鋼板梁采用板單元模擬，鋼混之間的連接采用節(jié)點(diǎn)耦合模擬；建模時(shí)橋面板采用等厚度，主要考慮：

1)建模方便，節(jié)省時(shí)間；

2)橋面板橫向各截面慣性矩相同，應(yīng)力結(jié)果與內(nèi)力結(jié)果等價(jià)。

有限元模型如圖2所示。

橋面板設(shè)計(jì)流程：依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、搜集的資料、設(shè)計(jì)控制指標(biāo)等初步擬定結(jié)構(gòu)尺寸→雙主梁合理間距分析→大橫梁合理間距分析→橋面板優(yōu)化設(shè)計(jì)。

初步擬定的典型尺寸見表1。

表1 初擬結(jié)構(gòu)尺寸表

根據(jù)初擬尺寸進(jìn)行初步計(jì)算可知：

1)30 m跨徑連續(xù)梁，受拉翼緣厚不大于50 mm時(shí)，組合梁最適合的梁高為2 m。

2)局部荷載作用下橋面板縱、橫向彎矩值基本一致時(shí)，橫梁高度采用80 cm較合適。

3 雙主梁合理間距分析

橋?qū)?2.5 m時(shí)，常見的主梁間距有7 m,8 m兩種，本次對(duì)比分析這兩種主梁間距下橋面板受力狀態(tài)(橫梁間距采用5 m)。

3.1 橋面板橫橋向應(yīng)力比較

跨中斷面橋面板上緣基本組合時(shí)橫橋向正應(yīng)力圖如圖3,圖4所示。

主梁間距7 m時(shí)懸臂根部彎矩絕對(duì)值大于板跨中，主梁間距8 m時(shí)懸臂根部彎矩絕對(duì)值小于跨中；由于實(shí)際懸臂板根部板厚大于跨中板厚，可知主梁間距7 m時(shí)的內(nèi)力結(jié)果與截面承載力匹配更為合理。

3.2 橋面板順橋向應(yīng)力比較

基本組合時(shí)跨中斷面橋面板順橋向正應(yīng)力圖如圖5，圖6所示。

主梁間距7 m時(shí)跨中處彎矩絕對(duì)值均比主梁間距8 m時(shí)小，可知，主梁間距7 m時(shí)受力更合理。

3.3 橫斷面剪力滯效應(yīng)比較

恒載作用下中支點(diǎn)斷面處順橋向正應(yīng)力圖如圖7,圖8所示。

主梁間距7 m時(shí)，斷面翼緣端部應(yīng)力與斷面跨中應(yīng)力離散差為0.4 MPa；間距8 m時(shí)，離散差為0.9 MPa；離散差越小，結(jié)構(gòu)越合理，可見主梁間距7 m時(shí)更合理。

3.4 結(jié)論

通過以上對(duì)比分析，本次設(shè)計(jì)時(shí)雙主梁間距選定為7 m。

4 大橫梁合理間距分析

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，將橫梁間距初定為3 m，4 m，5 m；在主梁間距為7 m的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析三種橫梁間距下的橋面板受力。

4.1 橋面板橫橋向應(yīng)力比較

跨中斷面橋面板上緣基本組合時(shí)橫橋向正應(yīng)力見表2。

表2 橫橋向正應(yīng)力對(duì)比分析表(橋面板上緣)

若橋面翼緣根部厚350 mm，跨中厚250 mm，受壓區(qū)重心至鋼筋重心距離取0.87h0；在受拉鋼筋面積相同時(shí)，翼緣根部與跨中處斷面的承載力比值為：Mu1/Mu2=1.5;由承載力分析及內(nèi)力比值分析可知，橫梁間距B取3 m或4 m時(shí)，內(nèi)力設(shè)計(jì)值與斷面承載力匹配較合理。

4.2 橋面板順橋向應(yīng)力比較

跨中斷面基本組合時(shí)橋面板順橋向正應(yīng)力圖見表3。

表3 順橋向正應(yīng)力對(duì)比分析表(上緣)

由表3可知，橫梁間距取3 m或4 m時(shí)比5 m時(shí)的作用效應(yīng)小，受力更合理。

4.3 結(jié)論

橫向分析時(shí)，橫梁間距取3 m,4 m時(shí)，截面的承載力與截面內(nèi)力匹配較合理?？紤]到中支點(diǎn)附近橋面板承受軸向拉力較大，為減小局部?jī)?nèi)力對(duì)整體內(nèi)力的影響，在中支點(diǎn)前后6 m范圍內(nèi)橫梁間距采用3 m，其他范圍橫梁間距取4 m。

5 橋面板配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)

橋面板配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中待優(yōu)化變量為板厚h，目標(biāo)函數(shù)為單位寬度鋼筋混凝土橋面板造價(jià)，約束條件為受彎鋼筋混凝土構(gòu)件配筋相關(guān)公式；在給定約束條件下，求目標(biāo)函數(shù)達(dá)最小值時(shí)的變量h值，將跨中斷面及翼緣根部斷面“板厚與造價(jià)關(guān)系”列于圖9,圖10。

從圖9，圖10可知，跨中板厚取25 cm～27 cm時(shí)造價(jià)最低，懸臂根部板厚取35 cm～38 cm時(shí)造價(jià)最低，為減小橋面板重量，跨中及懸臂厚度分別取常用的25 cm及35 cm。

6 結(jié)語

1)通過計(jì)算分析，雙主梁間距選定為7 m；橫梁在中支點(diǎn)前后各6 m范圍內(nèi)間距為3 m，其他范圍間距為4 m。

2)橋面板跨中厚度采用25 cm，懸臂翼緣根部采用35 cm時(shí)，單位寬度鋼筋混凝土橋面板造價(jià)最低。