鋼底板和波形鋼腹板組合簡支箱梁橋方案研究

高建安

（甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

現(xiàn)階段我國公路建設(shè)工程開展過程中，中小跨徑橋梁得到廣泛應(yīng)用，從實際發(fā)展情況分析簡支橋梁逐漸成為小跨徑橋梁的主要施工方式。然而該方案在橋梁跨徑較大情況下，PC 簡支橋梁難以滿足實際承載力要求。由此，施工技術(shù)人員在經(jīng)過實際研究后提出在城市汽車專用簡支橋梁中采用正交異性鋼箱橋梁，該構(gòu)型優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)輕便、施工效率高、質(zhì)量可靠，但是實際應(yīng)用中突顯出橋面鋪裝困難、疲勞性能較差等缺陷[1]。由此，鋼底板及波形鋼腹板組合箱梁方案成為解決相關(guān)問題的主要手段，此方案也成為當(dāng)前行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員主要研究內(nèi)容。

1 案例概述

為詳細(xì)說明鋼底板及波形鋼腹板組合橋梁方案可行性，本文選取甘肅省烏瑪高速公路景泰至中川機場段工程項目為例進(jìn)行說明。案例工程為該地為連接市區(qū)與郊區(qū)機場所規(guī)劃的道路改造工程。景中高速JZ9 標(biāo)段位于蘭州新區(qū)境內(nèi)，距離蘭州市區(qū)約67km，改造工程路線起點位于機場高速中川收費站管理所南1000m 處，終點位于機場T2 航站樓南約1.25km 處，終點順接機場迎賓大道。本工程設(shè)計改造方案為利用高架橋使機場高速公路主線跨越馬家山互通立交以及機場迎賓大道，促使機場高速與航站樓之間交通實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。同時對馬家山互通立交部分匝道進(jìn)行改造，確保其完全成為互通立交，為該市新區(qū)、機場生活區(qū)以及機場高速快速連接提供便利條件。

本工程施工單位在綜合實際情況考量情況下決定采用鋼底板及波形鋼腹板組合橋梁方案，具體施工方案設(shè)計如下：橋梁規(guī)劃為六車道，兩副梁體采用獨立設(shè)計方式。單幅橋梁設(shè)置為三車道，橋面寬度為12.45m。全橋主梁采用等高設(shè)計，具體規(guī)格為高度2.25m，混凝土橋面以及腹板厚度分別為25cm 以及20mm。混凝土橋梁要求強度標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到C50 級別，腹板采用1600 型波形鋼板。底板部分厚度設(shè)計為20mm，腹板及底板材質(zhì)均要求為Q345C鋼。

2 構(gòu)建有限元模型

為詳細(xì)說明本組合方案實際受力特性，技術(shù)人員采用“實體單元+板單元”方式對橋梁進(jìn)行模擬，其中混凝土橋面板以及腹板底板分別采用實體單元以及板單元進(jìn)行模擬，三者利用共同節(jié)點進(jìn)行連接。

模型測試過程中，技術(shù)人員采用車輛荷載進(jìn)行加載，具體參數(shù)設(shè)計參照國家頒布的《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》對車輛軸重、車輛前后輪接地面積以及位置進(jìn)行設(shè)計。在充分考量各種條件后，技術(shù)人員提出以下四種工況條件：第一，恒載工況；第二，恒載和車輛荷載，且跨中為車輛荷載第四軸所在位置；第三，恒載和車輛荷載，且跨中右側(cè)2.7m 處為車輛荷載第四軸所在位置；第四，恒載和車輛荷載，且右支座左側(cè)0.1m處為車輛荷載第四軸所在位置。

依據(jù)我國頒布的相關(guān)規(guī)章制度要求，在不同部分分項系數(shù)取值如下所示：結(jié)構(gòu)自重以及鋪裝、護(hù)欄等二期恒載方面應(yīng)歸屬于永久作用，其系數(shù)取值分別為1.1 以及1.2。車輛荷載部分分項系數(shù)處于可變狀態(tài)，應(yīng)取值1.8，其他沖擊系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值分別為1.2 以及1.1。依據(jù)上述參數(shù)取值可得出道路在4種不同工況條件下，承載能力極限狀態(tài)驗算荷載組合。

3 案例計算分析

3.1 混凝土橋面板

通過試驗驗證可得出四種工況下混凝土橋面板正應(yīng)力分布情況。在工況1條件下，混凝土橋面板在荷載作用下，壓應(yīng)力呈現(xiàn)出較為顯著的增強趨勢，其變化方向為自支座向跨中逐漸提升，經(jīng)計算最大壓應(yīng)力值為6.47MPa；在工況2 條件下，道路在車輛荷載作用導(dǎo)致的局部效應(yīng)影響，車輪作用位置成為橋面板壓應(yīng)力峰值位置，經(jīng)計算其最大數(shù)值為17.65MPa；在工況3、工況4 條件下，技術(shù)人員在經(jīng)過測算后發(fā)現(xiàn)其橋面板應(yīng)力峰值與工況2 條件下產(chǎn)生的峰值特征相類似，車輪作用位置為壓應(yīng)力峰值產(chǎn)生位置，其具體數(shù)值分別為17.74MPa 以及14.61MPa。

3.2 鋼底板

在不同工況條件下，鋼底板部分正應(yīng)力分布情況不同。根據(jù)底板正應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可知，鋼底板以及波形鋼腹板鏈接區(qū)域是應(yīng)力峰值集中部分，這種情況在波形箱鋼腹板拐點位置表現(xiàn)最為顯著。依據(jù)實踐研究顯示，案例工程在工況1 條件下，混凝土橋面板以及鋼底板拉應(yīng)力呈現(xiàn)出相似特征，拉應(yīng)力均為在整體層面上呈現(xiàn)出有規(guī)律的增強態(tài)勢，且增強方向均為自支座向跨中位置逐漸增加，根據(jù)實際計算結(jié)果，其拉應(yīng)力峰值為109.75MPa；在工況2 條件下，橋面所受拉應(yīng)力在車輛橫向荷載不對稱情況影響下，拉應(yīng)力峰值存在于車輛荷載布置側(cè)，經(jīng)計算，其拉應(yīng)力峰值為216.65MPa；在工況3 條件下，由于該條件是基于初等梁理論計算所得工程最不利情況，技術(shù)人員在計算后得出其底板拉應(yīng)力峰值為217.65MPa；在工況4條件下，技術(shù)人員經(jīng)過詳細(xì)計算得出其底板拉應(yīng)力峰值為191.02MPa。經(jīng)過實踐驗證可知，工況4 條件下車輛荷載傳導(dǎo)方向為經(jīng)橋面板、波形鋼腹板，最終抵達(dá)鋼底板位置。受此情況影響，車輛荷載會在經(jīng)由橋面板、波形鋼腹板最終傳導(dǎo)至鋼底板部分，由此，因車輪作用位置導(dǎo)致的局部效應(yīng)會被大幅削弱。

3.3 波形鋼腹板

從試驗結(jié)果來看，波形鋼腹板絕大部分正應(yīng)力均控制在較小情況下，僅少數(shù)部分在各方面因素影響下使得拉應(yīng)力峰值大于65MPa。由此可充分體現(xiàn)出波形鋼腹板縱向剛度小且基本不承載彎矩的特征。從實際設(shè)計角度分析，其主要控制因素應(yīng)為剪應(yīng)力，橋梁截面產(chǎn)生的剪力會有波形鋼腹板承擔(dān)。同時在腹板以及頂?shù)装逯Ъ芟嗷プ饔孟?，?yīng)力峰值主要集中在兩部分聯(lián)結(jié)位置，在上文敘述中提出的四種工況條件下，可計算出腹板應(yīng)力峰值分別為49.27MPa、93.87MPa、89.44MPa、101.04MPa。

通過分析不同工況條件下組合簡支橋梁混凝土橋面板、鋼底板、波形鋼腹板應(yīng)力以及橋梁撓度情況數(shù)據(jù)可知，控制應(yīng)力數(shù)值均處于材料強度設(shè)計值直線，橋梁撓度也滿足國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。由此，可見本方案具備可行性，可以滿足橋梁設(shè)計承載力以及正常使用要求。

4 總結(jié)

綜上所述，案例工程所選取方案完全取得預(yù)期成效。同時在簡支橋梁施工過程中，利用本文所研究方案，在跨度較大的情況下可以有效縮短工期，同時達(dá)成節(jié)約建材資源以及提升施工質(zhì)量的目的，技術(shù)人員在進(jìn)行施工設(shè)計工作過程中應(yīng)注意對各項因素進(jìn)行綜合考量，在確保施工安全以及質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動施工技術(shù)不斷進(jìn)步。