單箱多室混凝土箱梁橋面板力學(xué)性能分析及配筋設(shè)計(jì)

李群鋒

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

單箱多室混凝土箱梁橋多應(yīng)用于公路工程互通立交橋梁、跨線橋以及市政工程橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)于橋面板不配置橫向預(yù)應(yīng)力束的情況下，一般橋?qū)捲?0 m以上就需要設(shè)計(jì)成單箱雙室或單箱多室。單箱多室箱梁腹板可以設(shè)計(jì)成直腹板或斜腹板，公路橋梁一般為直腹板式，市政橋梁則出于美觀考慮多采用斜腹板式。本文分析對(duì)象為公路工程直腹板式單箱多室箱梁橋結(jié)構(gòu)，在混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，將橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單個(gè)縱向梁按有限元空間桿系進(jìn)行受力分析，其橫向僅考慮橫向分布影響，沒(méi)有進(jìn)行橫向計(jì)算，因此，無(wú)法得到箱梁截面橫向受力狀態(tài)，也無(wú)法進(jìn)行橫向配筋設(shè)計(jì)[1]。為了進(jìn)一步研究其橫向受力狀態(tài)以及合理配筋，有必要進(jìn)行箱梁的橫向計(jì)算。

1 橫向計(jì)算圖式

對(duì)于單箱多室箱梁橋的橫向計(jì)算，本文仍采用空間桿系程序。一般將箱形橫截面作為整體框架分析，在箱梁縱橋向方向截取單位長(zhǎng)度的薄片框架，考慮橋梁縱、橫向撓曲的影響，沿腹板中軸線的豎向虛擬為彈性支撐，側(cè)向給以約束。彈性支撐的總體剛度根據(jù)主梁撓度可由式（1）確定：

式中：w(x)為單位荷載作用于計(jì)算梁段處荷載點(diǎn)下的主梁撓度。

為了方便計(jì)算，大多采用在腹板板底為剛性支承的橫向框架進(jìn)行內(nèi)力分析[1]，如圖1所示。

圖1 橫向框架計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 單箱多室混凝土箱梁橫向模型建立

圖2為單箱多室箱梁典型橫斷面圖。其中箱梁截面尺寸固定參數(shù)見(jiàn)圖中標(biāo)注。截面尺寸變化參數(shù)：梁高h(yuǎn)，腹板間距d以及懸臂長(zhǎng)度c。

圖2 箱梁典型橫斷面（單位：cm）

箱梁采用C50混凝土，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土和8 cm C50調(diào)平層混凝土。箱梁懸臂端部為底寬50 cm SS級(jí)防撞護(hù)欄。

分析荷載：自重、二期恒載及車輛荷載。汽車荷載等級(jí)采用公路-Ⅰ級(jí)，箱梁橫向分析屬橋梁結(jié)構(gòu)局部分析，計(jì)算時(shí)采用車輛荷載。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定，汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數(shù)采用0.3[2]。

沿縱橋向截取1 m寬箱梁?jiǎn)卧?，采用Midas分析軟件對(duì)單箱多室箱梁建立橫向分析模型，考慮到截面及內(nèi)力分布的對(duì)稱性，建立了如圖3所示的橫向桿系分析模型。

圖3 箱梁橫向分析模型

橋面板及懸臂板內(nèi)力分析工況參數(shù)如表1所示。

表1 分析工況參數(shù)表 m

3 箱梁橋面板內(nèi)力分析

3.1 橋面板內(nèi)力隨梁高及腹板間距變化分布規(guī)律

首先探討梁高h(yuǎn)對(duì)橋面板內(nèi)力的影響大小。由結(jié)構(gòu)力學(xué)理論可知，對(duì)于橫向框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)框架柱高度較小時(shí)，框架橫梁受力性質(zhì)類似于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，而當(dāng)框架柱高度較大時(shí)，框架橫梁受力性質(zhì)類似于門式剛架，故其內(nèi)力分布也有所不同。對(duì)于單箱多室箱梁橋面板極限承載能力設(shè)計(jì)狀態(tài)，在恒載和車輛荷載作用組合下，其橋面板跨中正彎矩M1、中腹板負(fù)彎矩M2以及中腹板剪力Qz分布隨梁高h(yuǎn)的變化趨勢(shì)如圖4～圖6所示。

圖4 M1隨梁高h(yuǎn)變化趨勢(shì)圖

圖5 M2隨梁高h(yuǎn)變化趨勢(shì)圖

圖6 Qz隨梁高h(yuǎn)變化趨勢(shì)圖

從圖4～圖6可知，隨著梁高h(yuǎn)的增大，彎矩M1、M2以及剪力Qz值變化幅度均較小。圖7為在不同腹板間距下梁高h(yuǎn)變化時(shí)橋面板彎矩M1、M2以及剪力Qz相對(duì)變化百分率絕對(duì)值分布示意圖。圖7表明：M1值變化率在4.7%以內(nèi)，M2值變化率在2.8%以內(nèi)，Qz值變化率在0.6%以內(nèi)；此外，隨著腹板間距d的增加，橋面板內(nèi)力值隨梁高h(yuǎn)變化百分率總體呈減小趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，梁高h(yuǎn)對(duì)橋面板內(nèi)力值無(wú)論是絕對(duì)值還是相對(duì)變化率的影響均較小。

圖7 橋面板內(nèi)力值變化百分率

其次探討腹板間距d對(duì)橋面板內(nèi)力的影響。從圖4～圖6還可以看出，橋面板彎矩M1、M2以及剪力Qz值是隨著腹板間距增大而增大。

3.2 橋面板懸臂根部?jī)?nèi)力隨懸臂長(zhǎng)度變化分布規(guī)律

因橋面板懸臂根部?jī)?nèi)力與梁高h(yuǎn)無(wú)關(guān)，故本文不作探討。通過(guò)分析，得出懸臂根部在恒載和車輛荷載作用組合下負(fù)彎矩M3及剪力Qz1值隨懸臂長(zhǎng)度c值變化的分布圖如圖8所示。

圖8 懸臂根部?jī)?nèi)力隨懸臂c值變化趨勢(shì)圖

由圖8可知：隨著懸臂長(zhǎng)度c值的增大，懸臂根部負(fù)彎矩M3值迅速增大，而懸臂根部剪力Qz1值略有減小趨勢(shì)。

4 箱梁橋面板配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)單箱多室混凝土箱梁設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文橋面板頂、底橫向鋼筋沿縱橋向間距取10 cm，橋面板頂部橫向鋼筋混凝土凈保護(hù)層厚度為30 mm，底部橫向鋼筋混凝土凈保護(hù)層厚度為25 mm。頂、底層橫向鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋。

4.1 橋面板配筋設(shè)計(jì)

選取梁高h(yuǎn)=2.4 m時(shí)各種腹板間距下橋面板內(nèi)力值（此時(shí)內(nèi)力值相對(duì)較大）對(duì)其進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。表2為橋面板在不同腹板間距d值條件下的配筋設(shè)計(jì)及相應(yīng)位置處正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度值。

表2 橋面板配筋設(shè)計(jì)及裂縫寬度

表2中橋面板相應(yīng)配筋設(shè)計(jì)情形下的裂縫寬度能滿足《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》中關(guān)于鋼筋混凝土構(gòu)件在Ⅰ類、Ⅱ類環(huán)境wcr≤0.2 mm和Ⅲ類、Ⅳ類環(huán)境wcr≤0.15 mm裂縫寬度限值要求[3]。

4.2 懸臂板配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)上一小節(jié)橋面板懸臂根部?jī)?nèi)力計(jì)算值進(jìn)行懸臂板配筋設(shè)計(jì)。表3為懸臂板在不同懸臂長(zhǎng)度c值條件下的配筋設(shè)計(jì)及相應(yīng)位置處正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度值，懸臂板根部相應(yīng)配筋設(shè)計(jì)情形下的裂縫寬度能滿足《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》中關(guān)于鋼筋混凝土構(gòu)件在Ⅰ類、Ⅱ類環(huán)境下wcr≤0.2 mm和Ⅲ類、Ⅳ類環(huán)境下wcr≤0.15 mm裂縫寬度限值要求[3]。

表3 懸臂板配筋設(shè)計(jì)及裂縫寬度

5 結(jié)論

a）對(duì)于公路工程常見(jiàn)的單箱多室混凝土箱梁，在恒載和車輛荷載作用組合下，箱梁梁高h(yuǎn)對(duì)橋面板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的影響較小，內(nèi)力值計(jì)算誤差基本在5%以內(nèi)。

b）在恒載和車輛荷載作用組合下，橋面板跨中正彎矩、中腹板處負(fù)彎矩及剪力值隨腹板間距增大而增大。對(duì)于懸臂板根部?jī)?nèi)力而言，懸臂根部負(fù)彎矩值隨懸臂長(zhǎng)度增大而迅速增大，但懸臂根部剪力值則隨懸臂長(zhǎng)度增大而略有減小。

c）基于橋面板和懸臂板在承載能力極限狀態(tài)組合下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，分別給出了橋面板和懸臂板的理論配筋設(shè)計(jì)，以供后續(xù)類似混凝土箱梁橋面板配筋設(shè)計(jì)參考使用?？紤]到實(shí)際橋梁工程箱梁橫向配筋設(shè)計(jì)中，橋面板和懸臂板往往橫橋向?yàn)橥ㄩL(zhǎng)鋼筋且統(tǒng)一直徑型號(hào)以及部分鋼筋直徑型號(hào)不常用的設(shè)計(jì)慣例，在滿足結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用要求的前提下，設(shè)計(jì)人員可做適當(dāng)調(diào)整。