懸臂鋼桁－波形鋼腹板組合橋梁結(jié)合的市政橋梁設(shè)計(jì)研究

羅鵬

摘要 為了提高市政橋梁建設(shè)水平，文章提出了一種新型橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。以懸臂鋼桁-波形鋼腹板組合橋梁為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，提出主梁支點(diǎn)與跨中處橫斷面、標(biāo)準(zhǔn)段壓型鋼板平面、橫向預(yù)應(yīng)力平面設(shè)計(jì)方案。檢驗(yàn)結(jié)果表明，在V形橋墩受力作用影響下，其底板與頂板受力均未超出限定范圍，產(chǎn)生墩柱壓應(yīng)力低于限定值，雖然產(chǎn)生了微小形變，但是在允許范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞 市政橋梁;組合橋梁;預(yù)應(yīng)力

中圖分類號 U448.213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0126-03

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，促進(jìn)了橋梁建設(shè)技術(shù)水平的提升，越來越多組合橋梁建設(shè)技術(shù)在此時(shí)代背景下誕生[1]。市政橋梁作為城市橋梁運(yùn)輸?shù)暮诵墓こ蹋碇鞘袠蛄杭夹g(shù)發(fā)展水平。為了彰顯城市橋梁建設(shè)技術(shù)水平的提升，很多城市引入新型橋梁結(jié)構(gòu)，用于建設(shè)市政橋梁[2-3]。目前，比較受人們關(guān)注的橋梁組合結(jié)構(gòu)為懸臂鋼桁-波形鋼腹板組合橋梁，該文選取該組合方式作為市政橋梁設(shè)計(jì)思路展開研究[4]。

1 工程概況

以某市政橋梁建設(shè)工程為例，探究此項(xiàng)目組合橋梁設(shè)計(jì)方案。該項(xiàng)目建設(shè)在3條匝道組成的國道上，A匝道和C匝道采用4%控制，嚴(yán)格限定時(shí)速，安全限定值為25 km/h，匝道寬度和曲率半徑依次為10.8 m、30.4 m，橋梁凈空高度為5.0 m，順接對向輔道。B匝道同樣采用4%控制，嚴(yán)格限定時(shí)速，安全限定值為25 km/h，匝道寬度和曲率半徑依次為11.1 m、34.9 m，跨越輔道后掉頭，而后順接對向輔道。

2 市政橋梁主梁設(shè)計(jì)

由于該研究工程所處國道曲線半徑較小，對車流量支撐要求較大，傳統(tǒng)的橋梁布設(shè)方式滿足不了需求，埋藏著較大的安全隱患。為了提高施工及車輛通行安全性，承載較大的車流量，研究從受力性能分析角度出發(fā)，分別對主梁支點(diǎn)與跨中處橫斷面、標(biāo)準(zhǔn)段壓型鋼板平面、橫向預(yù)應(yīng)力平面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

（1）橋梁行車道寬度參數(shù)為2×4.0 m，橋面總體寬度為11.1 m。

（2）橋梁的中心線坐落于曲線上。

（3）橋面縱坡最大數(shù)值為4%。

（4）車輛行駛速度為25 km/h。

（5）橋梁使用環(huán)境類別為I類。

（6）橋面橫坡超出標(biāo)準(zhǔn)高度為2%，單向橫坡1.5%。

（7）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期指標(biāo)數(shù)值為100 a。

（8）項(xiàng)目設(shè)計(jì)安全等級為一級。

2.2 主梁支點(diǎn)與跨中橫斷面設(shè)計(jì)

研究對于橋梁橫斷面的設(shè)計(jì)，選取的設(shè)計(jì)方法為單幅斷面設(shè)計(jì)思路，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)寬度參數(shù)數(shù)值為11.1 m，采用以下斷面布設(shè)方式分別布設(shè)跨中與支點(diǎn)橫斷面：路緣帶（數(shù)值0.5 m）+防撞墻（數(shù)值0.5 m）+大車道（曲線加寬數(shù)值1.5 m+大車道數(shù)值3.5 m）+小車道（曲線加寬數(shù)值0.75 m+大車道數(shù)值3.25 m）+路緣帶（數(shù)值0.5 m）+防撞墻（數(shù)值0.5 m）。以單向1.5%橫坡為標(biāo)準(zhǔn)，布設(shè)機(jī)動(dòng)車道。另外，行車速度超出標(biāo)準(zhǔn)2%，曲率半徑超出標(biāo)準(zhǔn)2%，以滿足橋梁受力需求。如圖1所示為主梁支點(diǎn)橫斷面設(shè)計(jì)圖。

跨中橫斷面布設(shè)與主梁支點(diǎn)橫斷面相似，縱向和豎向尺寸相同，前者采用壓型鋼板，后者采用波形鋼板，分別分布在橋梁的中間位置和橋梁的右端。另外，兩部分橫斷面車道分界點(diǎn)布設(shè)存在一定差異，各項(xiàng)指標(biāo)間距不同。

2.3 主梁標(biāo)準(zhǔn)段壓型鋼板平面設(shè)計(jì)

組合梁頂板主要由兩部分組成，分別是縱向翼緣板和橫向翼緣板，板厚度設(shè)置為16 mm。為了起到加固作用，在翼緣板上方固定多個(gè)抗剪栓釘，同時(shí)布設(shè)加勁肋。其中，肋板高度為16 cm，鋼筋孔直徑數(shù)值為5 cm，設(shè)定鋼板布設(shè)間距為40 cm，在間隔處布設(shè)加勁肋，厚度大小為16 mm。與此同時(shí)，添加橫隔板，布設(shè)間距為4 m。為了便于施工，降低施工成本，選取閉合型鋼板作為主梁壓型鋼板布設(shè)材料，設(shè)定厚度為1.2 mm，完成各項(xiàng)材料平面布設(shè)[5]。

2.4 主梁橫向預(yù)應(yīng)力平面設(shè)計(jì)

為了加固組合橋梁，設(shè)計(jì)方案在全橋各處頂板后澆層位置增加了橫向預(yù)應(yīng)力。設(shè)置初始張力大小為0.65σcon，鋼束為3Φs15.2，應(yīng)力布設(shè)間距為1 m。沿著縱向方向，每經(jīng)過1 m，布置1道預(yù)應(yīng)力，同時(shí)支持錨固和張拉兩項(xiàng)操作，形成主梁預(yù)應(yīng)力平面。該平面左側(cè)由錨固端+張拉端+錨固端+張拉端組成，后側(cè)由+張拉端+錨固端+張拉端+錨固端組成，兩側(cè)形成預(yù)應(yīng)力銜接，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的加固作用[6]。

3 工程檢驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)材料性能與荷載組合

工程嚴(yán)格按照橋梁建設(shè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)選取鋼材料，經(jīng)檢驗(yàn)鋼材料彈性模量、剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、軸向應(yīng)力、剪切模量、彈性模量6項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。另外，測試混凝土強(qiáng)度指標(biāo)和預(yù)應(yīng)力鋼束力學(xué)性能多項(xiàng)指標(biāo)，對比工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值均在規(guī)定范圍之內(nèi)。

為了全面檢驗(yàn)組合橋梁設(shè)計(jì)可行性，檢驗(yàn)設(shè)置了5個(gè)組合，分別是：（1）1.4M+1.2D;（2）1.4T+1.2D;（3）1.12T+1.4M+1.2D;（4）1.0T+1.0M+1.0D;（5）1.0M+1.0D（二期恒載）。其中，T代表溫度荷載;M代表活載;D代表恒載。

通過對以上5套荷載組合進(jìn)行檢驗(yàn)，從而獲取較為全面的檢測結(jié)果，為組合橋梁設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

3.2 組合橋梁V作用下底板與頂板受力檢驗(yàn)

采用橋梁內(nèi)力計(jì)算方法，對橋梁底板支承處所受應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，最大數(shù)值為34.2 MPa。與此同時(shí)，位于橋梁底部的跨中拉應(yīng)力最大數(shù)值為61.5 MPa。按照國家橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)判斷，該研究設(shè)計(jì)組合方案滿足底板承載受力需求。

采用同樣的方法計(jì)算頂板受力數(shù)值，計(jì)算結(jié)果顯示，此位置拉應(yīng)力最大數(shù)值為111.9 MPa，位于梁頂處的應(yīng)力數(shù)值為5.40 MPa。按照國家橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)判斷，該研究方案中頂板受力參數(shù)符合國家橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 混凝土后澆層受荷載組合V作用下的受力檢驗(yàn)

關(guān)于鋼混合梁部分的施工，通常情況下采用以下工序完成：

第一步：打造橋梁下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);第二步：建設(shè)主梁鋼梁結(jié)構(gòu)，按照施工方案開始執(zhí)行此部分施工任務(wù);第三步：采用重壓施工方法，對橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和主梁鋼梁結(jié)構(gòu)采取穩(wěn)定處理;第四步：澆筑混凝土，形成后澆層;第五步：沿著橫向張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，形成穩(wěn)定架構(gòu);第六步：撤掉壓重;第七步：在橋梁結(jié)構(gòu)上添加防撞護(hù)欄;第八步：橋梁表面鋪設(shè)瀝青道路。

在此施工過程中，后澆層混凝土濕重容易對主梁底板造成影響，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。其中，混凝土表現(xiàn)出的狀態(tài)為流態(tài)，很難承受彎矩，所以混凝土從流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)后，測得此時(shí)應(yīng)力為0。接下來的施工中，后橋活載、施加荷載開始對支座混凝土產(chǎn)生作用，使其表面形成負(fù)彎矩。為了保證橋梁混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，該工程對混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，采用的方法為荷載組合V，利用該方法為檢驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度大小。

考慮到頂板混凝土在此結(jié)構(gòu)中不受拉力影響，鋼板承受了所有拉力影響。為了避免負(fù)彎矩拉應(yīng)力傳遞到其他位置，對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。在質(zhì)點(diǎn)負(fù)彎矩位置開始分割，形成一道裂縫。

工程鋼筋混凝土組合形成的箱梁部分，根據(jù)其結(jié)構(gòu)組成情況分析，后澆層的混凝土結(jié)構(gòu)中的支座部分受拉力影響較大。為了避免此部分拉力對箱梁整體穩(wěn)定性造成影響，該工程對于混凝土的后澆層、鋼箱梁跨支架的施工銜接部分給予高度重視。此處采用的施工技術(shù)為預(yù)彎處理，以鋼箱梁作為處理對象，在后澆層混凝土施工未結(jié)束之前，始終采取預(yù)彎處理。在此期間，檢測混凝土強(qiáng)度，如果測得該數(shù)值超過90%，則撤除壓載。該施工作業(yè)目的在于產(chǎn)生一部分壓應(yīng)力，使其作用在主梁部分。工程壓載質(zhì)量參數(shù)設(shè)置為20 t，兩跨同時(shí)加載，以集中加載模式施工。其中，加載施工選取的材料為混凝土塊。

通過分析施工期間主梁的各個(gè)受力點(diǎn)的特點(diǎn)，探究受力工況下的主梁應(yīng)力問題，經(jīng)過計(jì)算得到預(yù)壓應(yīng)力。該工程根據(jù)梁組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其劃分為7個(gè)墩布設(shè)點(diǎn)，分別在這7個(gè)位置部署墩，沿著從左到右的順序，依次編號為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7。計(jì)算結(jié)果顯示，受壓載影響，位于B6、B7墩處的主梁的梁頂產(chǎn)生應(yīng)力大小分別為10.88 N/mm2、10.20 N/mm2。

根據(jù)力學(xué)理論可以得到，鋼材在施工中產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可以表示為σs=εsEs，混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變之間存在的關(guān)系可以表示為σc=εcEc。關(guān)于混凝土和鋼同時(shí)作用情況下，兩者應(yīng)變系數(shù)相等，即εs=εc。綜合上述關(guān)系整理得到σc=Ecσs/Es。采用換算方法，對B6墩位置的梁頂混凝土后澆層位置的拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果為σc=10.88/5.98=1.82 N/mm2-。采用同樣方法，計(jì)算B7墩位置拉應(yīng)力，結(jié)果為1.69 N/mm2。

其中，σc代表混凝土拉應(yīng)力，Ec代表混凝土應(yīng)變，εc代表對應(yīng)系數(shù);σs代表鋼材應(yīng)力，Es代表鋼材應(yīng)變，εs代表對應(yīng)系數(shù)。

工程中，位于后澆層位置的混凝土強(qiáng)度等級為C60，該等級條件下的拉應(yīng)力小于上限值。由此可以推斷，當(dāng)前設(shè)計(jì)的橋梁組合方案滿足該工況下的應(yīng)力控制要求。采用同樣的方法，對7種工況下的應(yīng)力進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

觀察表1中不同工況條件下位置1和位置2的應(yīng)力測試結(jié)果可知，這些工況下兩個(gè)位置產(chǎn)生的應(yīng)力均滿足混凝土澆筑強(qiáng)度要求，為橋梁建設(shè)質(zhì)量的把控提供了保障。

3.4 組合梁V形墩應(yīng)力檢驗(yàn)

5組橋梁荷載組合作用下，受V形墩作用，在V形墩外側(cè)形成墩柱壓應(yīng)力，通過計(jì)算此數(shù)值，分析應(yīng)力、彎矩、軸力是否符合組合橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果表明：水平方向組合梁軸力大小為?645.2 kN，在參數(shù)規(guī)定范圍之內(nèi);應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為114.2 MPa，此計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于230 MPa，符合橋梁應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn);關(guān)于組合梁彎矩的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為?1 286.9 kN·m，符合橋梁建設(shè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 主梁結(jié)構(gòu)變形檢驗(yàn)

5組荷載橋梁組合中，組合橋梁在軸處產(chǎn)生最大橋梁。其中，X方向產(chǎn)生的位移大小為10.8 mm，Y方向產(chǎn)生的位移大小為1.45 mm，Z方向產(chǎn)生的位移數(shù)值為1.2 mm。綜合分析這3個(gè)方向橋梁墩產(chǎn)生的位移情況可知，該文設(shè)計(jì)的組合橋梁建設(shè)方案的V形墩變形不明顯，可以忽略不計(jì)。另外，對主梁結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行計(jì)算分析，沿著豎向方向產(chǎn)生的恒載擾度為33.9 mm，其跨度在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。由此可以判斷，主梁結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到了限定值，產(chǎn)生微小形變，在允許范圍之內(nèi)。因此，該研究設(shè)計(jì)的組合橋梁設(shè)計(jì)方案可行性較高。

3.6 橋梁疲勞檢驗(yàn)

按照公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中提及的1.2.17條規(guī)定，對橋梁疲勞情況進(jìn)行檢驗(yàn)，即檢驗(yàn)該研究設(shè)計(jì)的橋梁是否滿足疲勞承載要求。檢測以橋梁中支點(diǎn)和跨中作為檢測對象，檢測點(diǎn)布設(shè)在上邊緣和下邊緣兩處，結(jié)果如表2所示。

表2中，σ=σmax-σmin，檢測結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)方案中最大疲勞數(shù)值和最小疲勞數(shù)值均小于[σn]。由此可以判斷，本市政橋梁設(shè)計(jì)方案符合組合橋梁建設(shè)疲勞要求。

4 總結(jié)

該文圍繞市政橋梁建設(shè)問題展開探究，選取懸臂鋼桁-波形鋼腹板組合方式作為橋梁設(shè)計(jì)思路，以某工程為例，分別對主梁支點(diǎn)與跨中處橫斷面、標(biāo)準(zhǔn)段壓型鋼板平面、橫向預(yù)應(yīng)力平面進(jìn)行設(shè)計(jì)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，橋梁受V作用影響，其底板與頂板受力均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，墩柱壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于限定值，主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小形變，可以忽略不計(jì)。因此，該設(shè)計(jì)組合橋梁設(shè)計(jì)方案符合市政橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

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