單箱單室窄箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)特性分析

徐涵，黃春亮，胡帥，李蓉

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司 湖南分公司，長沙 410015；2. 湖南和天工程項目管理有限公司，長沙 410205)

1 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，人們對交通的需要和依賴越來越大，各類交通荷載也在逐年增加。早期大多數(shù)混凝土橋梁超負(fù)荷使用，容易出現(xiàn)裂縫、基礎(chǔ)不穩(wěn)及耐久性差等病害，其性能大大降低，有些橋梁結(jié)構(gòu)甚至失效，存在巨大的安全風(fēng)險[1]。結(jié)合工程實例，本文著重探討預(yù)應(yīng)力混凝土窄箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點和力學(xué)特性，采用高度發(fā)展的計算機輔助手段，進(jìn)行有效快速優(yōu)化和仿真分析，提高設(shè)計水平。

2 工程概況

本工程項目位于某提質(zhì)改造工程中段，屬于老橋拆除重建。老橋跨越水庫溢洪道，跨徑布置為1×20 m 的雙曲拱橋，根據(jù)老橋特殊檢測報告對其評定為4 類。結(jié)合相關(guān)單位意見，最終決定采用拆除老橋，在原橋位重建橋梁的設(shè)計方案。為避免破壞溢洪道和導(dǎo)流墻，橋梁方案比選后最終采用1×40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆簡支箱梁結(jié)構(gòu)，橋長46.08 m，橋面寬度7.5 m。橋型立面布置如圖1所示。

設(shè)計過程中現(xiàn)澆箱梁采用C50 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，橋面鋪裝由上而下構(gòu)造為：9 cm 厚瀝青混凝土鋪裝層，防水層，8 cm 厚C50 鋼筋混凝土調(diào)平層。9 cm 厚瀝青混凝土按從上至下的順序分別為4 cm AC-13C 細(xì)粒式瀝青混凝土及5 cm AC-20 中粒式瀝青混凝土，鋪設(shè)瀝青混凝土之前應(yīng)在橋面混凝土上噴涂防水層[2]。其余下部構(gòu)造和附屬結(jié)構(gòu)均采用C30 混凝土進(jìn)行施工。

3 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1）設(shè)計荷載：汽車荷載等級為公路-II 級。

2）公路等級：四級公路。

3）設(shè)計車速：20 km/h。

4）橋面寬度：7.5 m，由凈-6.5 m(行車道）+2×0.5 m(防撞護(hù)欄）組成。

5）縱橫坡：縱坡為0.3%，橋面橫坡為雙向2.0%[3]。

4 橋梁設(shè)計原則

通過前期設(shè)計階段研究，根據(jù)橋位處的地形情況、線路走向，進(jìn)行布設(shè)橋梁孔徑，優(yōu)化過河方案。橋梁的建設(shè)還應(yīng)從可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保理念的角度去認(rèn)識，使項目的環(huán)境和資源得到充分的保護(hù)[4]。橋梁設(shè)計遵循以下基本原則：

1）按照本工程規(guī)劃和工程建設(shè)的要求，在滿足交通水利、防洪等主要功能的前提下，新建橋梁的設(shè)計遵循“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工及養(yǎng)護(hù)”的總體原則[5]。

2）遵循因地制宜、便于施工和養(yǎng)護(hù)的原則選擇橋型。本橋上部構(gòu)造形式采用預(yù)應(yīng)力混凝土(后張）現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，截面采用單箱單室。該簡支結(jié)構(gòu)擁有以下優(yōu)點：(1）整體結(jié)構(gòu)外形簡潔，底面平整光潔，線條流暢，受力明確，便于施工，具有良好的穩(wěn)定性；(2）選用的箱梁橋整體性能好且結(jié)構(gòu)剛度大，行車效果較好；(3）承重結(jié)構(gòu)與傳力結(jié)構(gòu)共同受力，截面效率高，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效果；(4）對溢洪道和導(dǎo)流墻影響較小。

5 箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 一般構(gòu)造

結(jié)構(gòu)形式采用C50 預(yù)應(yīng)力混凝土(后張）現(xiàn)澆箱梁，橋面橫坡為雙向2%，由內(nèi)向外，底板水平。箱梁截面采用單箱單室，箱梁梁高為2.3 m(箱梁高指底板至頂面線與橋梁中心線虛交點的距離），為跨度的1/17.36；箱梁頂板采用7.5 m 寬，底板寬4.5 m，箱室兩側(cè)懸臂尺寸均為1.5 m，懸臂端部厚0.15 m，根部厚0.45 m；箱梁頂板厚度為0.25 m，由跨中漸變至近梁端的0.45 m；底板厚度為0.23 m，由跨中漸變至近梁端的0.43 m；腹板厚度為0.50 m，由跨中漸變至近梁端的0.70 m；箱梁跨中設(shè)橫隔板，厚度采用0.5 m，底板和腹板均在距梁端4.0 m 處開始漸變[6]。

箱梁縱向支點距為38.8 m，支點距梁端為0.56 m。為方便箱內(nèi)排水，在箱梁底板中心線上最低端處設(shè)置一個直徑為10 cm的泄水管；為方便施工，腹板與頂板內(nèi)側(cè)采用0.8 m×0.2 m 直線倒角過渡，腹板與底板內(nèi)側(cè)采用0.2 m×0.2 m 直線倒角過渡。箱梁截面構(gòu)造詳見圖2。

5.2 預(yù)應(yīng)力鋼束的布置

本箱梁采用雙向預(yù)應(yīng)力體系。縱向鋼束采用高強低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強度fpk＝1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率ρ=0.035，松弛系數(shù)ζ=0.3。腹板束采用φs15.2-19 兩束，錨下張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa； 底板束采用φs15.2-12 兩束，錨下張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa，采用兩端橫向?qū)ΨQ張拉鋼束[7]。錨具采用M15-19 和M15-12。

6 力學(xué)特性分析

6.1 計算模型

整體計算采用Midas Civil/Designer 對橋梁進(jìn)行設(shè)計，按部分預(yù)應(yīng)力(A 類）混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算。梁部沿縱向劃分成40 個單元，各單元的斷面形式都為單箱單室結(jié)構(gòu)。設(shè)計過程中考慮溫度荷載的影響，按照整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃，自重系數(shù)采用1.04 進(jìn)行分析。運用軟件建立模型進(jìn)行強度、抗裂性及抗傾覆性計算，模擬出實際結(jié)構(gòu)所有可能出現(xiàn)的不利施工狀態(tài)和運營工況[8]。箱梁模擬視圖見圖3。

6.2 荷載組合

公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的作用，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行作用效應(yīng)組合，取其最不利效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計[9]。

6.3 結(jié)構(gòu)驗算

正截面強度驗算：根據(jù)截面尺寸、配筋情況按照預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范進(jìn)行截面強度計算，然后跟截面彎矩進(jìn)行比較[10]。經(jīng)計算最大彎矩出現(xiàn)在20 單元。詳見圖4。

斜截面抗剪驗算： 主要對本箱梁的跨中、1/4 截面及支點截面控制點進(jìn)行使用階段應(yīng)力的驗算[11]。經(jīng)計算，最大剪力出現(xiàn)在39 單元。詳見圖5。

正截面抗裂驗算：經(jīng)計算，主梁在作用(荷載）短期效應(yīng)組合或長期效應(yīng)組合下，主梁均為全斷面受壓，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。頂板抗裂驗算包絡(luò)圖見圖6、底板抗裂驗算見圖7。

斜截面抗裂驗算： 經(jīng)計算，主梁最大拉應(yīng)力不超過0.213 MPa≤0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa，滿足規(guī)范要求。ftk為抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

正截面壓應(yīng)力驗算：按照J(rèn)TG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載考慮沖擊系數(shù)(μ=0.191）。經(jīng)計算，在使用階段持久狀況下，主梁最大壓應(yīng)力為13.045 MPa≤0.5fck=0.5×32.4=16.20 MPa，滿足規(guī)范要求。fck為抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。詳見圖8。

斜截面主壓應(yīng)力驗算：經(jīng)計算，在使用階段持久狀況下，主梁產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為13.045 MPa≤0.60fck=0.6×32.4=19.44 MPa，滿足規(guī)范要求。詳見圖9。

撓度驗算： 對本箱梁的1 號單元、21 號單元及41 號單元汽車荷載(不計沖擊系數(shù)）和人群荷載頻遇組合最大撓度設(shè)計值的驗算。經(jīng)驗算，最大撓度出現(xiàn)在21 單元，設(shè)計值為10.324 mm≤最大撓度允許值fn=64.667 mm，滿足規(guī)范要求。因預(yù)拱值C 僅為0.001 m，故本次箱梁設(shè)計沒有設(shè)置預(yù)拱度。

考慮到本橋跨徑達(dá)到40 m，但全寬為7.5 m，而支點橫向間距僅為3.5 m，為防止橋梁發(fā)生傾覆需對本橋梁進(jìn)行抗傾覆驗算，驗算組合為基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合?；窘M合中，所有的恒載組合系數(shù)為1.0?？箖A覆支反力驗算，采用基本組合包絡(luò)中永久作用系數(shù)為1.0 時對應(yīng)的最小反力值。經(jīng)驗算，各個節(jié)點最不利時，橫向抗傾覆軸穩(wěn)定性系數(shù)k=37.78＞橫向抗傾覆軸穩(wěn)定性系數(shù)允許值k=2.5，滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

本文通過對40 m 單箱單室窄箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)特性分析計算，總結(jié)現(xiàn)澆簡支窄箱梁設(shè)計中需要注意的相關(guān)重點及基本結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。該橋梁施工完成，通過檢測無變形現(xiàn)象。箱梁混凝土表面平滑、色澤均勻，模板接縫處平順，箱梁縱橫坡和高程滿足設(shè)計要求，可為類似橋梁設(shè)計提供參考。