先簡支后連續(xù)波形鋼腹板鋼箱組合梁設(shè)計分析

陳建 王靜

安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

研讀相關(guān)文獻對組合橋梁和先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)予以設(shè)計分析，了解施工資料，可知使用鋼腹板建設(shè)的組合橋梁應(yīng)用于橋梁施工經(jīng)濟效益較好，設(shè)備效益較高，技術(shù)優(yōu)勢也較突出，屬于新型機構(gòu)。應(yīng)用此結(jié)構(gòu)可優(yōu)化橋梁宏觀受力。為此，應(yīng)分析結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點，分析應(yīng)用可行性，并行優(yōu)化設(shè)計，促進工程安全。

1 結(jié)構(gòu)應(yīng)用特點

1.1 優(yōu)點

此種結(jié)構(gòu)施工可批量預(yù)制構(gòu)件，生產(chǎn)管理可以統(tǒng)一進行，根據(jù)工程需求保證預(yù)制構(gòu)件符合規(guī)格要求。使用標準構(gòu)件預(yù)制更高效，可減少模板部分投入，技術(shù)操作易于實施。可同步開展上下部結(jié)構(gòu)建設(shè)，縮短建設(shè)工期，提高建設(shè)效率，保證經(jīng)濟效益。工廠張拉梁預(yù)應(yīng)力筋具有可行性，可于梁或使用掛籃裝設(shè)負彎矩筋，或進行筋處理。借助吊裝設(shè)備，可對整片梁進行精準吊裝。在此施工中對腳手架需求較少，可節(jié)約成本，促進環(huán)境保護。此種連續(xù)梁不易變形，具有較大剛度，減少伸縮縫，使用功能較好，舒適度較高，可操作性強，方便養(yǎng)護，同時可增強抗震性能?？s減徐變和混凝土收縮中體系影響，預(yù)應(yīng)力筋使用后不會發(fā)生次力矩，結(jié)構(gòu)更科學(xué)。此種結(jié)構(gòu)也不易受到沉降影響[1]。

1.2 缺點

該結(jié)構(gòu)技術(shù)仍在發(fā)展階段，設(shè)計時可參考資料有限，設(shè)計規(guī)范不完善。現(xiàn)有規(guī)范多著眼于預(yù)制構(gòu)件設(shè)計，連續(xù)結(jié)構(gòu)體系自身特點未得到充分考慮。施工工藝方面，技術(shù)分歧較大，澆筑順序無一致結(jié)論，應(yīng)以何種順序張拉處理連續(xù)端預(yù)應(yīng)力仍在討論中，后連續(xù)端澆筑缺少統(tǒng)一規(guī)范。在對該體系進行預(yù)應(yīng)力束估算時，缺少針對該體系特點的科學(xué)變化。

2 應(yīng)用設(shè)計要點

2.1 構(gòu)建設(shè)計模型

在設(shè)計此梁橋時，需要科學(xué)計算承載力。應(yīng)全面分析梁橋工程資料，以資料為基礎(chǔ)創(chuàng)建有限元模型，然后對不同荷載狀態(tài)下主梁受力情況進行分析。需要分析荷載情況包括恒載，恒載聯(lián)合活載，以及恒載、活載聯(lián)合附加荷載，在上述情況下分析單支座橋梁與雙支座橋梁中其主梁受力情況。根據(jù)分析結(jié)構(gòu)選擇科學(xué)的支座設(shè)計形式。以連續(xù)梁負彎矩處理為基礎(chǔ)原理，結(jié)合工程情況，可選擇靜載預(yù)壓、強配筋或者支座頂升等方法。通過以上方法，對負彎矩區(qū)實施補強處理。應(yīng)用有限元方法構(gòu)建仿真模型，利用模型對比三個方案，可明確建設(shè)操作可行性，了解施工成本，然后選用先簡支后連續(xù)的方法，科學(xué)處理橋梁負彎矩。使用波形鋼腹板制作鋼箱組合橋梁基礎(chǔ)信息，搭建有限元模型，分析荷載工況中消極情況，檢驗橋梁持久承載極限值。此外，還應(yīng)針對常規(guī)使用進行結(jié)構(gòu)撓度極限檢驗。應(yīng)考慮正截面抗裂性，分析持久服役中混凝土頂以及底板法向應(yīng)力，觀察主壓應(yīng)力，分析鋼腹板剪應(yīng)力與相關(guān)效應(yīng)力。構(gòu)建上述模型的目的為檢驗結(jié)構(gòu)科學(xué)性，確保應(yīng)用安全。

2.2 受力分析

受到恒載影響時，在主梁受力優(yōu)化方面雙支座應(yīng)用效果較好，可縮小主梁部位恒載彎矩，對縮小墩頂負彎矩有積極作用。同時受到活載作用和恒載作用時，正負彎矩在單雙支座中未見顯著差異，然而活載作用對中跨部位正彎矩有顯著影響。相關(guān)研究顯示，增幅可達128%左右，單雙支架中并無較大應(yīng)力差值，但單支座的應(yīng)力低于雙支座。收縮徐變對該類梁橋的影響表現(xiàn)為提升跨中撓度。

2.3 負彎矩處理

在處理連續(xù)梁橋墩頂區(qū)域的彎矩部位時，因為該處承載力相對薄弱，設(shè)計中應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境和橋梁服役要求進行個體化設(shè)計。在處理負彎矩區(qū)域時，可從構(gòu)造著手，優(yōu)化構(gòu)造設(shè)計，也可在施工中調(diào)整施工工序。橋梁工程多綜合上述措施，聯(lián)合應(yīng)用，以此完善負彎矩區(qū)。通常情況下，應(yīng)用此結(jié)構(gòu)建設(shè)橋梁時，可優(yōu)先選擇強配筋法進行負彎矩處理。在采用強配筋法處理該區(qū)域時，不必提升混凝土預(yù)應(yīng)力，使用高強配筋即可，配筋率較高。

2.4 承載力影響

應(yīng)用雙支座借助恒載作用優(yōu)化主梁受力，縮減主梁恒載彎矩，并對墩頂負彎矩進行重點縮減。通過收縮徐變，可擴大梁橋跨中撓度。經(jīng)過此變化，雙支座所具有的跨中撓度可提升至原設(shè)計撓度的1.35倍。在雙支座結(jié)構(gòu)中，負彎矩受到較大影響，可縮減至原彎矩0.57倍。梁橋撓度基本可忽略溫度荷載影響，該因素影響主要體現(xiàn)在雙支座結(jié)構(gòu)中墩頂負彎矩以及跨中正彎矩方面。上述彎矩、負彎矩在雙支座中不僅受到支座沉降影響，而且受到溫度荷載影響，即受到附加荷載作用，在此影響下，與單支座相比，雙支座具有更顯著的應(yīng)力變化，在跨中應(yīng)力方面表現(xiàn)尤其突出。在雙支座中，當(dāng)其中之一承受壓力，同時另一支座處于脫空狀態(tài)，則后者應(yīng)力變化較大，可見內(nèi)力變化和顯著變形，消極影響全橋受力。為此，綜合恒載影響，采用雙支座設(shè)計可完善結(jié)構(gòu)主梁內(nèi)力。

2.5 支座數(shù)量設(shè)計

在使用雙支座時，附加荷載與活載作用顯著，極易發(fā)生支座脫空狀況。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，梁建設(shè)中，當(dāng)使用板式橡膠支座時，在其單獨支承點中，在與橋梁一致的方向，受到梁縱向撓曲影響，支座數(shù)量應(yīng)為1個。此種設(shè)計要求是為避免受力失衡。在橫向中，梁具有較大剛度，但為穩(wěn)定起見，支座數(shù)量應(yīng)≤2個。使用強配筋法建設(shè)時，負彎矩部分無須提升混凝土預(yù)應(yīng)力，選擇高強配筋時，通?？蓪崿F(xiàn)（3～5）%配筋率。在施工現(xiàn)場可現(xiàn)澆混凝土，操作可行性強，高配筋也可促進梁剛度增強，所以設(shè)計時多選擇強配筋法予以建設(shè)。通過不良工況分析可科學(xué)評價構(gòu)件受力，不僅應(yīng)分析正負彎矩中不利工況，也應(yīng)分析剪力不利工況。在檢驗效應(yīng)力、剪應(yīng)力時，一般是對極限結(jié)構(gòu)撓度和同類情況下正截面的抗裂水平進行分析，分析長期受力后混凝土頂應(yīng)力和主壓應(yīng)力等，還應(yīng)對波折腹板進行第四強度檢驗。此種橋梁結(jié)構(gòu)可保證安全運營，但在其應(yīng)用中橋面板所呈現(xiàn)的抗裂性相對較弱，應(yīng)予以注意[2]。

3 結(jié)束語

綜上所述，在應(yīng)用該結(jié)構(gòu)設(shè)計橋梁時，可發(fā)揮組合梁應(yīng)用優(yōu)勢，促進構(gòu)件應(yīng)力協(xié)調(diào)，提升宏觀結(jié)構(gòu)科學(xué)性。結(jié)合先進建模手段，對橋梁結(jié)構(gòu)受力和承載力予以分析，科學(xué)處理負彎矩，在不同區(qū)域適當(dāng)使用單支座和雙支座，有效運用強配筋法，最終實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。