波形鋼腹板-桁式弦桿連續(xù)梁橋受力分析
——以深圳馬巒山公園高架橋?yàn)槔?/h1>
2020-08-12 01:54:58吳連波
福建建筑 2020年7期
吳連波
(深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心 廣東深圳 518000)
1 課題研究緣由
波形鋼腹板組合梁橋，由于自重輕、腹板不開裂、預(yù)應(yīng)力效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)的波形鋼腹板組合梁橋，由混凝土頂、底板及波形鋼腹板組成，當(dāng)?shù)装寤炷劣射摴芑炷寥〈鷷r(shí)，即形成了波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁橋[3-4]，如圖1所示。該種結(jié)構(gòu)包括混凝土頂板、波形鋼腹板、鋼管混凝土組成。該組合梁結(jié)構(gòu)，采用混凝土頂板和下弦鋼管承受正彎矩，利用鋼管混凝土下弦鋼管和頂板預(yù)應(yīng)力束承受負(fù)彎矩，使得組合梁延性增強(qiáng)，自重進(jìn)一步降低，方便橋梁施工。
基于波形鋼腹板-多弦桿連續(xù)組合橋梁是一種新型組合梁橋，其受力性能良好，可以為新建橋梁建設(shè)提供一種選擇方案,本文以深圳馬巒山公園高架橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)該種橋梁進(jìn)行受力分析，以期能為該新型組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。
圖1 波形鋼腹板-多弦桿橋梁效果圖
2 工程概況
馬巒山公園高架橋1號(hào)橋上部結(jié)構(gòu)為波形鋼腹板-多弦桿組合梁，右幅為3m×45m連續(xù)結(jié)構(gòu)箱梁。道路等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為城市A級(jí)。單幅橋面寬度20m，梁高2.8m。頂板為C50混凝土，底緣采用直徑720mm圓鋼管，內(nèi)部灌注C50微膨脹混凝土，全橋腹板均采用波形鋼腹板，鋼材為Q345qC，板厚12mm～24mm，其形狀為1600型。橋型總體布置如圖2所示。各主梁通過(guò)端主梁及桁架平聯(lián)連接。端橫梁寬1.2m，高2.6m。平聯(lián)由Ф245×10mm橫桿和Ф159×10mm斜桿組成，橫桿間距為4.8m，如圖2(c)所示?；炷另敯逶谪?fù)彎矩區(qū)內(nèi)布置48束預(yù)應(yīng)力鋼筋(每箱24束)，每束布置15φ15.24鋼絞線，并采用雙向張拉。波形鋼腹板與混凝土板通過(guò)22mm直徑的栓釘連接，波形鋼腹板與鋼管間采用焊接連接，波形鋼腹板與波形鋼腹板間采用對(duì)接焊縫連接，波形鋼腹板與端橫梁間通過(guò)PBL連接件連接。成橋后的效果圖如圖2(f)所示。
(a)標(biāo)準(zhǔn)跨立面圖
(b)一般截面尺寸
(c)桁架平聯(lián)
3 有限元模型建立
實(shí)體模型及桿系模型都可進(jìn)行實(shí)橋分析。實(shí)體模型具有計(jì)算精度高、局部應(yīng)力準(zhǔn)確、計(jì)算速度慢的特點(diǎn)；桿系模型具有計(jì)算效率高、整體受力分析效果好特點(diǎn)，并且具有成熟的商用橋梁設(shè)計(jì)軟件。本節(jié)通過(guò)波形鋼腹板-多弦桿組合梁橋的實(shí)體及桿系模型的對(duì)比，驗(yàn)證桿系模型的準(zhǔn)確性。
采用通用有限元軟件ABAQUS建立實(shí)體模型。采用實(shí)體單元建立頂板、管內(nèi)混凝土等實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用板殼單元建立鋼管、波形鋼腹板等薄壁結(jié)構(gòu)，采用升降溫模擬預(yù)應(yīng)力荷載。該建模方法的可靠性已在縮尺模型分析中得到了驗(yàn)證[5,6]。縮尺試驗(yàn)如圖3所示，實(shí)體模型如圖4所示。
圖4 實(shí)體模型
桿系模型采用橋梁專用軟件MIDAS/Civil建立。下弦鋼管混凝土采用共用節(jié)點(diǎn)雙單元法進(jìn)行模擬，可細(xì)分為下弦鋼管與下弦管內(nèi)混凝土兩種單元；波形鋼腹板、鋼翼緣板采用梁?jiǎn)卧?，混凝土頂板采用梁格法建立，鋼翼緣板分別連接頂板混凝土和波形鋼腹板。桿系模型如圖5所示。
(a)整體模型
(b)波形鋼腹板
(c)下弦鋼管混凝土圖5 實(shí)橋桿系有限元模型
表1列出了(自重+預(yù)應(yīng)力+車道荷載)組合作用下實(shí)橋桿系有限元模型與實(shí)橋?qū)嶓w有限元的計(jì)算結(jié)果。從表可以看出，桿系有限元模型得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)體有限元結(jié)果基本相同，兩者比值在0.93～1.04之間，即系桿有限元模型在保證計(jì)算效率的同時(shí)可以具有較好的精度。
表1 實(shí)體有限元與桿系有限元模型計(jì)算結(jié)果
4 正常使用狀態(tài)分析
4.1 下弦鋼管應(yīng)力
圖6給出了正常使用極限狀態(tài)下下弦鋼管的應(yīng)力包絡(luò)圖。下弦鋼管應(yīng)力在邊跨L/2截面處鋼管底緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，在中支點(diǎn)鋼管底緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，全橋采用三跨等跨布置，中跨鋼管拉應(yīng)力值較小且主要以壓應(yīng)力為主。鋼管最大拉應(yīng)力為137.4MPa，最大壓應(yīng)力為-234.7MPa，均拉、壓應(yīng)力小于容許應(yīng)力±270MPa，均滿足要求。
圖6 正常使用極限狀態(tài)下下弦鋼管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
4.2 混凝土板應(yīng)力
圖7給出了正常使用極限狀態(tài)下混凝土頂板頂緣最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，在正常使用極限狀態(tài)下，除部分位置外，基本處于受壓狀態(tài)。中跨跨中附近及邊跨邊支點(diǎn)附近出現(xiàn)的拉應(yīng)力由溫度作用產(chǎn)生。頂板最大拉應(yīng)力達(dá)到1.29MPa，小于最大拉應(yīng)力限值1.83MPa；最大壓應(yīng)力為-12.6MPa，小于容許值-16.2MPa。
圖7 正常使用極限狀態(tài)下混凝土頂板頂緣最大壓應(yīng)力
4.3 組合梁剛度
圖8給出了不計(jì)沖擊力的車道荷載頻遇值作用下主梁最大撓度分布圖。在車道荷載作用下，主梁最大撓度出現(xiàn)在邊跨跨中截面處，撓度曲線在各跨范圍內(nèi)均關(guān)于跨中對(duì)稱。從圖8的主梁撓度驗(yàn)算結(jié)果可以看出，主梁最大撓度為14.9mm，滿足GB 50917-2013《鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中L/600的限值；當(dāng)下弦鋼管不填充混凝土?xí)r，主梁最大撓度22.9mm。主梁下弦鋼管填充混凝土與不填充混凝土的最大撓度比值為0.65∶1。下弦鋼管填充混凝土可以有效提高組合梁的剛度。
5 極限狀態(tài)驗(yàn)算
前述的桿系模型將組合梁分為混凝土板、下弦桿、波形鋼腹板等構(gòu)件。由于目前沒有成熟的波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁彎曲承載力計(jì)算方法。本節(jié)采用MIDAS軟件對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載下的極限承載力驗(yàn)算，并列出主要驗(yàn)算結(jié)果。
圖8 不計(jì)沖擊力的車道荷載頻遇值作用下主梁最大撓度分布圖
5.1 混凝土板
將組合梁中的混凝土板單獨(dú)分析，其可以看成處于偏心受壓狀態(tài)的構(gòu)件。這里依據(jù)JTG 3362-2018《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》[7]，對(duì)混凝土板進(jìn)行偏壓驗(yàn)算。忽略二階效應(yīng)，所有截面均能滿足規(guī)范要求。圖9為最不利承載能力極限狀態(tài)組合下的混凝土頂板偏壓承載力驗(yàn)算結(jié)果。
圖9 混凝土頂板偏壓承載力驗(yàn)算結(jié)果
5.2 下弦鋼管
對(duì)下弦鋼管混凝土進(jìn)行偏壓及鋼管應(yīng)力驗(yàn)算,各驗(yàn)算結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。
圖10為下弦鋼管應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果，壓應(yīng)力越接近中支點(diǎn)越大。
圖10 下弦鋼管應(yīng)力驗(yàn)算
5.3 波形鋼腹板
為了便于提取各梁分配的剪力，采用整梁模型計(jì)算各縱梁的剪力分配，并將其代入《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJT 272-2017)，驗(yàn)算波形鋼腹板的剪切強(qiáng)度、局部屈曲應(yīng)力、整體屈曲應(yīng)力及組合屈曲應(yīng)力，各驗(yàn)算值均滿足設(shè)計(jì)要求。圖11為合成屈曲的驗(yàn)算結(jié)果。由于中支點(diǎn)處的剪力最大，該處為剪切屈曲及剪切強(qiáng)度的控制設(shè)計(jì)點(diǎn)。
圖11 波形鋼腹板合成屈曲驗(yàn)算
6 結(jié)語(yǔ)
實(shí)體模型及桿系模型都可以用于組合梁橋的彈性分析。波形鋼腹板-多弦桿連續(xù)組合梁橋滿足正常使用極限狀態(tài)下的應(yīng)力及剛度驗(yàn)算要求。鋼管中的混凝土可以有效提高組合梁的彎曲剛度，降低組合梁的變形。
本文所提離散化的桿系建模方法便于進(jìn)行波形鋼腹板-多弦桿橋梁的構(gòu)件驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，該橋滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。
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圖1 波形鋼腹板-多弦桿橋梁效果圖
2 工程概況
馬巒山公園高架橋1號(hào)橋上部結(jié)構(gòu)為波形鋼腹板-多弦桿組合梁，右幅為3m×45m連續(xù)結(jié)構(gòu)箱梁。道路等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為城市A級(jí)。單幅橋面寬度20m，梁高2.8m。頂板為C50混凝土，底緣采用直徑720mm圓鋼管，內(nèi)部灌注C50微膨脹混凝土，全橋腹板均采用波形鋼腹板，鋼材為Q345qC，板厚12mm～24mm，其形狀為1600型。橋型總體布置如圖2所示。各主梁通過(guò)端主梁及桁架平聯(lián)連接。端橫梁寬1.2m，高2.6m。平聯(lián)由Ф245×10mm橫桿和Ф159×10mm斜桿組成，橫桿間距為4.8m，如圖2(c)所示?；炷另敯逶谪?fù)彎矩區(qū)內(nèi)布置48束預(yù)應(yīng)力鋼筋(每箱24束)，每束布置15φ15.24鋼絞線，并采用雙向張拉。波形鋼腹板與混凝土板通過(guò)22mm直徑的栓釘連接，波形鋼腹板與鋼管間采用焊接連接，波形鋼腹板與波形鋼腹板間采用對(duì)接焊縫連接，波形鋼腹板與端橫梁間通過(guò)PBL連接件連接。成橋后的效果圖如圖2(f)所示。
(a)標(biāo)準(zhǔn)跨立面圖
(b)一般截面尺寸
(c)桁架平聯(lián)
3 有限元模型建立
實(shí)體模型及桿系模型都可進(jìn)行實(shí)橋分析。實(shí)體模型具有計(jì)算精度高、局部應(yīng)力準(zhǔn)確、計(jì)算速度慢的特點(diǎn)；桿系模型具有計(jì)算效率高、整體受力分析效果好特點(diǎn)，并且具有成熟的商用橋梁設(shè)計(jì)軟件。本節(jié)通過(guò)波形鋼腹板-多弦桿組合梁橋的實(shí)體及桿系模型的對(duì)比，驗(yàn)證桿系模型的準(zhǔn)確性。
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圖4 實(shí)體模型
桿系模型采用橋梁專用軟件MIDAS/Civil建立。下弦鋼管混凝土采用共用節(jié)點(diǎn)雙單元法進(jìn)行模擬，可細(xì)分為下弦鋼管與下弦管內(nèi)混凝土兩種單元；波形鋼腹板、鋼翼緣板采用梁?jiǎn)卧?，混凝土頂板采用梁格法建立，鋼翼緣板分別連接頂板混凝土和波形鋼腹板。桿系模型如圖5所示。
(a)整體模型
(b)波形鋼腹板
(c)下弦鋼管混凝土圖5 實(shí)橋桿系有限元模型
表1列出了(自重+預(yù)應(yīng)力+車道荷載)組合作用下實(shí)橋桿系有限元模型與實(shí)橋?qū)嶓w有限元的計(jì)算結(jié)果。從表可以看出，桿系有限元模型得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)體有限元結(jié)果基本相同，兩者比值在0.93～1.04之間，即系桿有限元模型在保證計(jì)算效率的同時(shí)可以具有較好的精度。
表1 實(shí)體有限元與桿系有限元模型計(jì)算結(jié)果
4 正常使用狀態(tài)分析
4.1 下弦鋼管應(yīng)力
圖6給出了正常使用極限狀態(tài)下下弦鋼管的應(yīng)力包絡(luò)圖。下弦鋼管應(yīng)力在邊跨L/2截面處鋼管底緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，在中支點(diǎn)鋼管底緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，全橋采用三跨等跨布置，中跨鋼管拉應(yīng)力值較小且主要以壓應(yīng)力為主。鋼管最大拉應(yīng)力為137.4MPa，最大壓應(yīng)力為-234.7MPa，均拉、壓應(yīng)力小于容許應(yīng)力±270MPa，均滿足要求。
圖6 正常使用極限狀態(tài)下下弦鋼管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
4.2 混凝土板應(yīng)力
圖7給出了正常使用極限狀態(tài)下混凝土頂板頂緣最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，在正常使用極限狀態(tài)下，除部分位置外，基本處于受壓狀態(tài)。中跨跨中附近及邊跨邊支點(diǎn)附近出現(xiàn)的拉應(yīng)力由溫度作用產(chǎn)生。頂板最大拉應(yīng)力達(dá)到1.29MPa，小于最大拉應(yīng)力限值1.83MPa；最大壓應(yīng)力為-12.6MPa，小于容許值-16.2MPa。
圖7 正常使用極限狀態(tài)下混凝土頂板頂緣最大壓應(yīng)力
4.3 組合梁剛度
圖8給出了不計(jì)沖擊力的車道荷載頻遇值作用下主梁最大撓度分布圖。在車道荷載作用下，主梁最大撓度出現(xiàn)在邊跨跨中截面處，撓度曲線在各跨范圍內(nèi)均關(guān)于跨中對(duì)稱。從圖8的主梁撓度驗(yàn)算結(jié)果可以看出，主梁最大撓度為14.9mm，滿足GB 50917-2013《鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中L/600的限值；當(dāng)下弦鋼管不填充混凝土?xí)r，主梁最大撓度22.9mm。主梁下弦鋼管填充混凝土與不填充混凝土的最大撓度比值為0.65∶1。下弦鋼管填充混凝土可以有效提高組合梁的剛度。
5 極限狀態(tài)驗(yàn)算
前述的桿系模型將組合梁分為混凝土板、下弦桿、波形鋼腹板等構(gòu)件。由于目前沒有成熟的波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁彎曲承載力計(jì)算方法。本節(jié)采用MIDAS軟件對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載下的極限承載力驗(yàn)算，并列出主要驗(yàn)算結(jié)果。
圖8 不計(jì)沖擊力的車道荷載頻遇值作用下主梁最大撓度分布圖
5.1 混凝土板
將組合梁中的混凝土板單獨(dú)分析，其可以看成處于偏心受壓狀態(tài)的構(gòu)件。這里依據(jù)JTG 3362-2018《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》[7]，對(duì)混凝土板進(jìn)行偏壓驗(yàn)算。忽略二階效應(yīng)，所有截面均能滿足規(guī)范要求。圖9為最不利承載能力極限狀態(tài)組合下的混凝土頂板偏壓承載力驗(yàn)算結(jié)果。
圖9 混凝土頂板偏壓承載力驗(yàn)算結(jié)果
5.2 下弦鋼管
對(duì)下弦鋼管混凝土進(jìn)行偏壓及鋼管應(yīng)力驗(yàn)算,各驗(yàn)算結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。
圖10為下弦鋼管應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果，壓應(yīng)力越接近中支點(diǎn)越大。
圖10 下弦鋼管應(yīng)力驗(yàn)算
5.3 波形鋼腹板
為了便于提取各梁分配的剪力，采用整梁模型計(jì)算各縱梁的剪力分配，并將其代入《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJT 272-2017)，驗(yàn)算波形鋼腹板的剪切強(qiáng)度、局部屈曲應(yīng)力、整體屈曲應(yīng)力及組合屈曲應(yīng)力，各驗(yàn)算值均滿足設(shè)計(jì)要求。圖11為合成屈曲的驗(yàn)算結(jié)果。由于中支點(diǎn)處的剪力最大，該處為剪切屈曲及剪切強(qiáng)度的控制設(shè)計(jì)點(diǎn)。
圖11 波形鋼腹板合成屈曲驗(yàn)算
6 結(jié)語(yǔ)
實(shí)體模型及桿系模型都可以用于組合梁橋的彈性分析。波形鋼腹板-多弦桿連續(xù)組合梁橋滿足正常使用極限狀態(tài)下的應(yīng)力及剛度驗(yàn)算要求。鋼管中的混凝土可以有效提高組合梁的彎曲剛度，降低組合梁的變形。
本文所提離散化的桿系建模方法便于進(jìn)行波形鋼腹板-多弦桿橋梁的構(gòu)件驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，該橋滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。
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城市道橋與防洪(2014年4期)2014-02-27 07:25:54
