鋼-混組合連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)受力研究

朱 斌

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

鋼混組合橋充分發(fā)揮了各自的性能特點(diǎn)，但鋼混結(jié)合后性能是否能充分發(fā)揮，是亟須研究的問(wèn)題之一[1-5]。千里堤大橋是津石高速公路重點(diǎn)工程，是京津冀協(xié)同一體化的重要交通樞紐，千里堤特大橋主線橋?yàn)?55+80+55) m鋼混組合連續(xù)箱梁橋，該橋鋼混結(jié)合后的質(zhì)量高低直接影響了橋梁的安全使用，因此本文以千里堤特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)千里堤特大橋主線橋(55+80+55) m鋼混組合連續(xù)箱梁橋進(jìn)行施工階段和成橋階段內(nèi)力分析，為該工程的順利、安全、快速施工提供保障。

1 橋梁概況

千里堤特大橋主橋孔徑布置及橋長(zhǎng)基于防洪而設(shè)計(jì)，孔跨布置為(55+80+55) m鋼-混組合連續(xù)箱梁，左右幅錯(cuò)孔，橋墩按右前夾角90°布置，橋臺(tái)正交布置。半幅橋梁長(zhǎng)度為190 m，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、樁基礎(chǔ)。

橋梁位于整體式路基上，橋梁與路基同寬，單幅橋梁全寬16.152 m，凈寬15.63 m。主梁橫向由3片單箱單室截面鋼箱梁組成，其中梁體與混凝土橋面板采用抗剪焊釘進(jìn)行連接。千里堤大橋鋼箱梁梁間距為2.26 m，其中懸臂部分1.4 m，底板寬度為3.0 m，在中心線處，梁高2.0～4.3 m，主梁高2.5～4.6 m。

橋梁平面為圓曲線和緩和曲線，鋼梁按曲線預(yù)制，各片鋼梁的梁高變化段采用相同長(zhǎng)度，內(nèi)外側(cè)弧差由跨中等高段調(diào)整。為有效對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力，千里堤大橋采用了“剪力釘群”方案。首先以較小間距形成焊釘群，再以較大間距將形成的焊釘群布置在翼緣長(zhǎng)度方向上，并在澆筑混凝土?xí)r預(yù)留孔洞，當(dāng)千里堤大橋施加預(yù)應(yīng)力后采用微膨脹漿液填充孔洞，這樣將鋼梁和橋面板形成一個(gè)整體，共同發(fā)揮作用。千里堤大橋預(yù)留孔洞間距為1.2 m，大小為620 mm×420 mm，采用的焊釘尺寸大小為φ22 mm，長(zhǎng)220 mm。各“剪力釘群”由4 行6列排立的20根焊釘組成，間距為100 mm。砂漿的強(qiáng)度為混凝土強(qiáng)度的1.3倍。

2 計(jì)算模型

2.1 有限元模型

全橋縱向計(jì)算時(shí)考慮橋面板之間的橫向連接作用，采用Midas Civil雙單元以及彈性連接模擬鋼縱梁與橋面板的實(shí)際受力過(guò)程，結(jié)合施工步驟對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。全橋按空間網(wǎng)格建模，全橋共1 016個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 278個(gè)單元，建立全橋有限元模型如圖1所示。

圖1 組合橋梁Midas有限元模型圖

2.2 計(jì)算荷載及荷載組合

計(jì)算荷載及荷載組合如表1所示。

表1 荷載及荷載組合一覽表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 全橋施工階段受力分析

施工過(guò)程中，在混凝土橋面板澆筑并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前，鋼梁橫向聯(lián)系、澆筑的混凝土和模板的重量等，應(yīng)由鋼梁承擔(dān)；在混凝土橋面板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，二期恒載、活載、溫度荷載以及支座沉降荷載應(yīng)由鋼梁和橋面板形成的組合截面共同承擔(dān)。經(jīng)計(jì)算，整個(gè)施工過(guò)程中鋼梁上、下緣和橋面板上、下緣應(yīng)力包絡(luò)如圖2～9所示。

圖2 施工階段鋼梁上緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖3 施工階段鋼梁上緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

圖4 施工階段鋼梁下緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖5 施工階段鋼梁下緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

圖6 施工階段橋面板上緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖7 施工階段橋面板上緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

圖8 施工階段橋面板下緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖9 施工階段橋面板下緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

依據(jù)規(guī)范，組合梁在施工階段，梁體的短暫狀況設(shè)計(jì)需要進(jìn)行承載能力和穩(wěn)定性驗(yàn)算，如有特殊情況還需進(jìn)行抗傾覆演算。其中承載能力和抗彎承載力驗(yàn)算分別采用基本荷載組合、線彈性方法計(jì)算。并應(yīng)符合式(1)規(guī)定：

(1)

式中：Md，i——鋼梁或組合截面的彎矩設(shè)計(jì)值；

Weff，i——鋼梁或組合截面的抗彎模量；

f——材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

通過(guò)計(jì)算可知：鋼梁最大拉應(yīng)力：1.2×123.9=148.7 MPa<270 MPa；鋼梁最大壓應(yīng)力：1.2×105.1=126.1 MPa<270 MPa；橋面板最大壓應(yīng)力：1.2×15.5=18.6 MPa<22.4 MPa。結(jié)果表明，全部施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)承載能力滿足規(guī)范要求。

3.2 全橋成橋階段受力分析

3.2.1 全橋持久狀況承載能力極限狀態(tài)分析

(1)鋼梁抗彎承載力計(jì)算

采用線彈性計(jì)算方法進(jìn)行組合梁截面抗彎承載能力驗(yàn)算。計(jì)算中考慮恒載、支座沉降、汽車荷載、梯度溫度、體系溫度作用，其中汽車荷載按照三車道偏載布置，按照基本組合乘以各自的分項(xiàng)系數(shù)?；窘M合下，鋼梁上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖10～11所示。

圖10 基本組合鋼梁上緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖11 基本組合鋼梁下緣應(yīng)力云圖(MPa)

基本組合下，鋼梁最大拉應(yīng)力位于邊梁中支點(diǎn)上緣，為149.9 MPa，小于鋼材抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度270 MPa；鋼梁最大壓應(yīng)力位于邊梁中跨跨中截面上緣，為-165.6 MPa，小于鋼材抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度270 MPa。

(2)組合梁豎向抗剪承載力能力驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范，豎向剪力設(shè)計(jì)值可取聯(lián)合截面最大剪力計(jì)算值，并由鋼梁腹板承擔(dān)。組合梁豎向抗剪，經(jīng)計(jì)算在支點(diǎn)位置剪力最大，需驗(yàn)算支點(diǎn)的截面豎向抗剪承載力。此時(shí)，組合梁中支點(diǎn)最大剪力為9 858 kN，端支點(diǎn)最大剪力為4 976kN。對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算有：

γ0ννd≤Vνu，Vνu=fνdAW

(2)

中支點(diǎn)：γ0ννd=9 858 kN<(25×4 180×2)×155/1 000=32 395 kN；端支點(diǎn)：γ0ννd=4 976 kN<(20×1 980×2)×155/1 000=12 276 kN，結(jié)果表明組合梁豎向抗剪承載力滿足要求。

3.2.2 全橋持久狀況正常使用極限狀態(tài)分析

(1)使用極限狀態(tài)橋面板正截面壓應(yīng)力分析

在考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、荷載取標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，混凝土橋面板正截面壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖12～13所示。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板上緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖13 標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板下緣應(yīng)力云圖(MPa)

經(jīng)驗(yàn)算：組合梁混凝土頂板在標(biāo)準(zhǔn)值組合下出現(xiàn)最大壓應(yīng)力15.4 MPa，小于規(guī)范C50混凝土σkc+σpt=16.2 MPa限值，滿足要求。

(2)使用極限狀態(tài)橋面板裂縫寬度分析

使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板分析在荷載短期效應(yīng)組合下的正截面應(yīng)力，主要計(jì)算結(jié)果如圖14～15所示。

圖14 短期組合橋面板上緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖15 短期組合橋面板下緣應(yīng)力云圖(MPa)

在荷載短期效應(yīng)組合下，橋面板出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為2.25 MPa，位于邊跨跨中位置，超出規(guī)范C50混凝土σkc+σpt≤0.7 fck=1.855 MPa，建議延長(zhǎng)負(fù)彎矩鋼束布置，消掉此處超限拉應(yīng)力區(qū)。除此之外，其余部位拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

(3)剛度分析

汽車荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大上撓為18.3 mm，橋梁的最大下?lián)蠟?36.6 mm，得到橋梁的計(jì)算撓度為54.9 mm=L/1457，該值小于規(guī)范的限值1/500，滿足要求。如圖16、圖17所示。

圖16 活載作用組合梁最大上撓云圖(MPa)

圖17 活載作用組合梁最大下?lián)显茍D(MPa)

3.3.3 支座反力

標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，全橋各支座最大及最小反力如表2所示。

表2 支座反力計(jì)算結(jié)果對(duì)比表(kN)

結(jié)果表明，中支點(diǎn)最大支座反力為-7 274 kN，支座采用TXPZ-7.0支座，支座反力稍超出支座承載力，但考慮到計(jì)算是按超載1.3系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算的，因此中支點(diǎn)支座規(guī)格能滿足受力要求，端支點(diǎn)支座規(guī)格也滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析得到，施工階段，鋼箱梁及混凝土橋面板強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求；成橋階段，結(jié)構(gòu)剛度及支座選型均滿足規(guī)范要求；成橋階段，鋼箱梁總體應(yīng)力水平較低，最大壓應(yīng)力為-165.6 MPa，最大拉應(yīng)力為149.9 MPa，遠(yuǎn)小于Q345qD的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa，建議適當(dāng)優(yōu)化梁高或者鋼板厚度；成橋階段，橋面板最大壓應(yīng)力為15.4 MPa<16.2 MPa，滿足規(guī)范要求；橋面板在邊跨跨中附近截面上緣出現(xiàn)了2.25 MPa拉應(yīng)力，>0.7 fck=1.855 MPa，不滿足A類預(yù)應(yīng)力抗裂要求，建議延長(zhǎng)負(fù)彎矩鋼束布置，消掉此處超限拉應(yīng)力區(qū)。