鋼筋混凝土箱梁廊橋受力分析與設(shè)計計算

王七林WANG Qi-lin；史玉保SHI Yu-bao

（云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，昆明 650500）

0 引言

自古至今，“廊橋”在中外建筑和園林景觀設(shè)計史上都有非常悠久的歷史和廣泛應(yīng)用。廊橋受力特性較常規(guī)橋梁更加復(fù)雜。如連廊柱一般集中布置在橋梁兩側(cè)，橋梁橫向荷載分布不均勻；因連廊柱具有一定高度而橫受向荷載會對主梁產(chǎn)生較大扭矩、連廊和梁板固結(jié)造成超靜定次數(shù)較高，因結(jié)構(gòu)變形和位移而產(chǎn)生此內(nèi)力較大等。而大箱梁因其良好的橫向整體性、優(yōu)異的抗扭能力和縱向剛度大等特點成為廊橋設(shè)計的第一選擇。但大箱梁也有整體自重大、受剪力滯后效應(yīng)影響大等缺點，設(shè)計時需重點計算其受力性能，優(yōu)化其受力模式。而如今鋼筋混凝土大箱梁廊橋算例較少，設(shè)計理念和思路尚未完全統(tǒng)一，同類工程參考較少[1-3]。故本文以某學(xué)校的鋼筋混凝土廊橋作為算例，通過有限元軟件建立全橋模型分析各種狀態(tài)下的受力情況，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范計算驗證其力學(xué)性能合理，受力性能良好，可為同類橋梁提供參考。

1 工程概述及技術(shù)標準

1.1 工程概述

某學(xué)校內(nèi)部聯(lián)通天橋，上跨市政道路，呈東西走向，連接?xùn)|西兩地塊全橋長為62.65m（包含梯道），橋梁寬度為5.5m；上部主梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁，梯道梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板；下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

1.2 技術(shù)標準

①橋梁安全等級：一級；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γ0＝1.1；②橋梁設(shè)計基準期：100 年；使用年限：100 年；③人群荷載：根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》計算得出，q=3.2kPa；④耐久性設(shè)計環(huán)境類別：Ⅱ類；⑤梁底凈空：≥5.0m；⑥抗震標準：抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計地震動峰值加速度0.15g；抗震措施設(shè)防烈度為7 度。抗震設(shè)防分類：丁類；⑦橋面縱坡：人行天橋：0%；人行梯道：50%；⑧橋面橫坡：人行天橋：雙向坡，±0.5%；人行梯道：雙向坡，±0.5%。

2 設(shè)計理念與假定

①主梁、連廊框架及墩柱樁基采用梁單元建模，梯道、連廊頂板采用板單元模擬。②計算主梁時假定連廊不參與受力，以二期恒載形式加在主梁上。③連廊柱與所有橋墩直接固接，在箱梁上無橋墩處與箱梁頂固接。④人群荷載：由《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》計算得主梁人群荷載為3.52kPa[4]。⑤由《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定，考慮剪力滯后效應(yīng)，計算得出跨中位置箱梁翼緣有效寬度為0.905m。

3 模型建立與計算結(jié)果分析

3.1 模型建立

采用有限元軟件，采用建立空間模型。按照滿堂支架成橋來計算，對運營階段進行內(nèi)力、結(jié)構(gòu)剛度與抗震計算，按照規(guī)范中所規(guī)定的各項容許指標，驗算主梁、坡道、橋墩、蓋梁、樁基是否滿足要求。（圖1）

圖1 有限元模型圖

本文主要針對主梁進行研究，通過現(xiàn)行規(guī)范對主梁結(jié)構(gòu)進行計算?；炷料淞航Ｒc：

①采用平面桿系有限元程序程序，主梁按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)計算，橫梁按照鋼筋混凝土構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)計算，各項指標均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[5]（JTG D3362-2018）的要求，計算參數(shù)取值如下：1）相對濕度為70%；2）墩、臺不均勻沉降考慮5mm；3）體系整體均勻升溫20℃，均勻降溫為20℃；4）由于箱梁頂有連廊，側(cè)面干掛瓷磚，故不考慮溫度梯度影響；5）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)容重按26kN/m3計；6）考慮剪力滯后效應(yīng)，計算得出跨中位置箱梁翼緣有效寬度為0.905m。

②橋臺位位置采用雙支座設(shè)計。

③支點最大反力（汽車荷載考慮沖擊系數(shù)）如表1。

表1 現(xiàn)澆箱梁支點最大反力表

④主梁構(gòu)造及配筋：其中箱梁計算跨度21m，梁高1.6m，寬度5.5m，采用單箱單室截面，收拉縱筋采用78 根HRB400 直徑25 鋼筋雙排布置；受壓鋼筋采用39 根HRB400 直徑25 鋼筋單排布置。箍筋采用8 肢箍HRB400 直徑16 鋼筋，保護層厚度5cm。其余構(gòu)造鋼筋均為HRB400 直徑12鋼筋。詳見圖2。

圖2 箱梁截面鋼筋圖

3.2 結(jié)構(gòu)受力分析

3.2.1 承載能力極限狀態(tài)驗算

對廊橋進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗算，經(jīng)模型提取結(jié)構(gòu)內(nèi)力設(shè)計值（基本組合）見圖3、圖4 所示。并由規(guī)范計算結(jié)構(gòu)承載力，經(jīng)計算結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求。詳見表2。

圖3 基本組合主梁彎矩圖

圖4 基本組合主梁剪力圖

表2 承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力及承載力

結(jié)論：按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[5]第5.5.1-5.5.3 條進行截面驗算，正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力、抗扭承載力均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 正常使用極限狀態(tài)驗算

在短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響進行驗算裂縫寬度，短期（頻遇）組合和長期（準永久組合）結(jié)構(gòu)彎矩見圖5、圖6 所示。

圖5 短期（頻遇）組合主梁彎矩圖

圖6 長期（準永久）組合主梁彎矩圖

①結(jié)構(gòu)裂縫寬度驗算。（表3）按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》第6.4.1-6.4.4 條驗算：在短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響進行驗算，截面最大裂縫寬度為0.145mm，均小于規(guī)范0.2mm，滿足規(guī)范要求。

表3 正常使用極限狀態(tài)彎矩及裂縫寬度

②主梁剛度計算。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》第6.5.3 條規(guī)定，受彎構(gòu)件在適用階段的撓度應(yīng)考慮荷載長期效應(yīng)的影響，即按荷載短期效應(yīng)組合和本規(guī)范6.5.2 條規(guī)定的剛度計算的撓度值，乘以撓度長期增長系數(shù)nθ。C40 混凝土撓度長期增長系數(shù)由直線內(nèi)插取nθ=1.45。鋼筋混凝土受彎構(gòu)件按上述計算的長期撓度值，在消除自重產(chǎn)生的長期撓度后梁橋主梁的最大撓度處不應(yīng)超過計算跨徑的1/600。提取計算出邊跨和中跨在恒載、活載作用下產(chǎn)生的撓度值見表4，活載的荷載工況系數(shù)：0.7，然后根據(jù)撓度長期增長系數(shù)計算預(yù)拱度。消除自重產(chǎn)生的長期撓度，荷載短期效應(yīng)的可變作用考慮長期效應(yīng)引起的撓度：1.45×0.4×1.13=0.655mm<22000/600=36.67mm。結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

表4 撓度計算取值和系數(shù)表

③預(yù)拱度設(shè)置。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》第6.5.5 條規(guī)定，對鋼筋混凝土構(gòu)件：1）當(dāng)由荷載短期效應(yīng)組合并考慮荷載長期效應(yīng)影響產(chǎn)生的長期撓度不超過計算跨徑的1/1600 時，可以不設(shè)置預(yù)拱度；2）當(dāng)不符合上述規(guī)定時應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，且其值應(yīng)按結(jié)構(gòu)的自重和1/2 可變荷載頻遇值計算的長期撓度之和采用。

考慮按荷載短期效應(yīng)組合（考慮長期）計算的長期撓度：1.45×（11.6×0.7×1.13）=16.9mm>22000/600=13.75mm。

需設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱度為：1.45×（11.6×0.5×1.13）=12.2mm

綜上，廊橋大箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)受力性能合理。

4 結(jié)論

本文采用有限元軟件對某鋼筋混凝土廊橋進行受力分析，在荷載作用下得出，正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)均滿足規(guī)范要求，需要設(shè)計和建模計算中注意以下事項：①連廊在主梁伸縮縫處分縫，避免位移荷載產(chǎn)生附加內(nèi)力。②當(dāng)箱梁端處連廊柱與橋墩直接固結(jié)時，梁上連廊柱建模時可視為“搖擺柱”。③計算主梁時連廊視為荷載，不參與主梁受力。④全橋抗震計算時，宜采用使用時程分析法[6]。該工程實例可以為今后國內(nèi)同類型橋梁的設(shè)計和計算提供參考。