大跨度槽型組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)算分析

吳曉華

(廣西壯族自治區(qū)南寧江北公路養(yǎng)護(hù)中心,廣西 南寧 530001)

0 引言

高速公路建設(shè)中,橋梁大多以中小跨徑裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)為主,當(dāng)橋梁跨越深溝、既有高速公路時(shí),受地形地質(zhì)條件影響,必然采用大跨度結(jié)構(gòu)形式,而鋼結(jié)構(gòu)具有承載能力高、施工便捷等突出優(yōu)勢(shì),通常作為首選結(jié)構(gòu)。鋼混組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu),相同跨徑可降低梁高,同時(shí)橋面板混凝土施工時(shí)可依托鋼作為底模,因此鋼混組合結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景。在歐美、日韓等發(fā)達(dá)國家中,鋼混組合橋梁占比大,橋梁施工質(zhì)量易于控制,更加重視低碳環(huán)保理念,而國內(nèi)鋼混組合橋梁的發(fā)展歷程較短,應(yīng)用規(guī)模相對(duì)較小,對(duì)于該類橋型的相關(guān)研究也有待進(jìn)一步提升。

鋼混組合梁鋼結(jié)構(gòu)部分通常包括鋼箱、鋼桁、鋼板等形式,橋面板大多采用預(yù)制施工,預(yù)制板通過濕接縫連接成整體,施工速度較快。在鋼箱組合梁中,將鋼箱上翼緣設(shè)置為開口形式的槽型組合梁出現(xiàn)較晚。李杰等[1]對(duì)鋼混組合梁的應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵性技術(shù)問題進(jìn)行了闡述;郭飛等[2]從鋼箱組合梁角度入手,構(gòu)思了一種新型槽型組合梁結(jié)構(gòu)形式并對(duì)施工過程進(jìn)行了重點(diǎn)分析;王浩[3]通過模型試驗(yàn)手段研究了波形鋼腹板槽型組合梁靜力和疲勞性能;陳剛[4]經(jīng)多方案比選,對(duì)推薦方案大跨徑鋼桁-槽型梁組合結(jié)構(gòu)橋構(gòu)造特點(diǎn)、受力性能和施工工藝進(jìn)行了可行性研究;左一澤等[5]通過實(shí)體節(jié)段有限元模型分析了槽型雙箱組合梁斜拉橋橋面板的有效寬度。目前,關(guān)于槽型組合梁的相關(guān)研究不夠系統(tǒng)和深入,大多停留在方案設(shè)計(jì)與施工工藝方面,對(duì)于特定跨徑槽型組合梁整體設(shè)計(jì)參數(shù)的介紹和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析上缺少一定的研究。本文通過實(shí)際工程案例,對(duì)50 m大跨徑簡支槽型組合梁設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算情況進(jìn)行詳細(xì)闡述,以提高橋梁設(shè)計(jì)人員對(duì)于槽型組合梁的認(rèn)識(shí)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某車行天橋上跨高速公路,為避免在高速公路中分帶落墩,降低運(yùn)營高速安全風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)橋型方案比選后,采用一跨50 m大跨徑槽型組合梁跨越高速公路。車行天橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:(1)單向雙車道設(shè)計(jì),橋梁總寬13 950 mm;(2)設(shè)計(jì)速度100 km/h;(3)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí);(4)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g。結(jié)構(gòu)按分離式兩箱槽型梁設(shè)計(jì),組合梁總高3 000 mm,高跨比為1/16.7,其中槽型梁高度2 600 mm,與槽型梁連接處的橋面板混凝土厚度400 mm,橋面板混凝土橫向跨中厚度260 mm,按照鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。由于跨徑較大,為適應(yīng)受力需要,槽型梁縱向劃分為5個(gè)梁段,標(biāo)準(zhǔn)橫斷面和梁段劃分情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(mm)

圖2 梁段劃分示意圖

主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:梁段1長度為9 500 mm,上翼緣、腹板和底板厚度分別為26 mm、20 mm和26 mm;梁段2長度為9 000 mm,上翼緣、腹板和底板厚度分別為34 mm、18 mm和32 mm;梁段3長度為12 880 mm,上翼緣、腹板和底板厚度分別為38 mm、18 mm和36 mm。上翼緣寬度為800 mm,下翼緣寬度為2 250 mm,腹板處設(shè)置縱、豎向加勁肋。下翼緣設(shè)置縱向加勁肋,槽型梁與橋面板混凝土采用焊釘連接,槽型梁內(nèi)設(shè)置框架式橫隔板以減輕恒載自重,橫梁高度為1 500 mm,橫梁與橫隔板5 000 mm設(shè)置一道。槽型梁及加勁肋采用Q345qD,彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.31,容重為78.5 kN/m3,計(jì)算時(shí)考慮1.5%的焊縫重量。橋面板混凝土采用C50,彈性模量為3.45×104MPa,泊松比為0.21,容重為26 kN/m3。橋面鋪裝設(shè)置100 mm厚的瀝青混凝土,容重24 kN/m3。護(hù)欄按SS級(jí)防撞等級(jí)設(shè)計(jì),單側(cè)荷載集度為12 kN/m。

2 結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算

槽型組合梁主要施工階段包括:鋼梁架設(shè)、吊裝預(yù)制橋面板并澆筑濕接縫和剪力槽、槽型組合梁形成聯(lián)合截面、完成橋面系施工并成橋。對(duì)于組合梁的整體建模一般采用雙層單元法和施工階段聯(lián)合截面法,其中施工階段聯(lián)合截面更符合實(shí)際施工過程并能準(zhǔn)確考慮收縮徐變和溫度的影響。此處采用施工階段聯(lián)合截面法建模,橫向連接采用虛擬橫梁形式,所建立的縱向模型如圖3所示,全橋共140個(gè)節(jié)點(diǎn)、143個(gè)梁單元。

圖3 縱向分析有限元模型圖

2.1 施工階段分析

槽型梁鋼結(jié)構(gòu)架設(shè)后,橋面板混凝土作為濕重時(shí),結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為不利,選取該階段為關(guān)注施工階段。由于恒載作用下結(jié)構(gòu)對(duì)稱,取一片槽型梁進(jìn)行分析,如圖4所示。

(a)上翼緣

(b)下翼緣

槽型組合梁形成聯(lián)合截面前,施工階段槽型梁上翼緣最大壓應(yīng)力為125.4 MPa,下翼緣最大拉應(yīng)力為99.4 MPa。形成聯(lián)合截面前,截面上翼緣受力不利,槽型梁所劃分的梁段區(qū)間基本滿足應(yīng)力變化規(guī)律,施工階段應(yīng)力水平相對(duì)較低。

為進(jìn)一步分析永久作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,取橋面系已完成施工、收縮徐變基本完成后為關(guān)注階段,得到此階段槽型梁應(yīng)力如圖5所示。

(a)上翼緣

(b)下翼緣

永久作用下,槽型梁上翼緣壓應(yīng)力為168.1 MPa,下翼緣應(yīng)力拉應(yīng)力為133.6 MPa,較形成聯(lián)合截面前上翼緣和下翼緣應(yīng)力分別增加42.7 MPa和34.2 MPa,上翼緣壓應(yīng)力增加較多,應(yīng)力水平明顯增大,應(yīng)特別關(guān)注上翼緣與活載組合后的應(yīng)力數(shù)值,確保滿足規(guī)范要求。

2.2 成橋階段分析

大跨徑鋼混組合梁活載效應(yīng)占比較大,且隨跨徑的增加,活載占比也呈增加趨勢(shì),因此對(duì)成橋階段基本組合進(jìn)行分析十分必要。經(jīng)活載橫向位置試算分析,當(dāng)車道按偏載布置時(shí)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算最為不利?？紤]應(yīng)急車道的同時(shí)作用,按活載三車道偏載與永久作用進(jìn)行基本組合(其中永久作用系數(shù)為1.2,活載系數(shù)為1.4)[6],計(jì)算得到槽型梁應(yīng)力如圖6所示。

(a)上翼緣

(b)下翼緣

計(jì)算結(jié)果表明:(1)活載偏載作用下槽型梁上翼緣壓應(yīng)力為206.8 MPa,下翼緣拉應(yīng)力為220.8 MPa,拉壓應(yīng)力水平均較高,上翼緣與橋面板混凝土連接,不存在壓屈穩(wěn)定問題;(2)考慮活載基本組合后,成橋階段壓應(yīng)力數(shù)值低于拉應(yīng)力數(shù)值,活載使下翼緣拉應(yīng)力增加87.2 MPa,活載效應(yīng)增加明顯。考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1后,最大應(yīng)力為242.9 MPa,低于《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01-2015)承載力270 MPa限值[7]。

3 橋面板橫向計(jì)算

3.1 活載分布寬度

橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橫向最大跨徑為5.35 m,橋面板橫向受力呈現(xiàn)典型單向板特征,計(jì)算時(shí),縱向長度取單位長度1 m進(jìn)行分析,局部加載采用車輛荷載。平行于橋面板跨徑方向的活載分布寬度為0.8 m,垂直于橋面板跨徑方向的活載分布寬度按《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》(JTG 3362-2018)進(jìn)行計(jì)算[8],考慮前后排車輪(輪距為1.4 mm)對(duì)分布寬度的疊加影響,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 垂直橋面板跨徑方向分布寬度示意圖(mm)

3.2 橫向計(jì)算結(jié)果

根據(jù)活載分布寬度計(jì)算結(jié)果,利用有限元數(shù)值模擬軟件,建立橫向分析模型,如圖8所示,共33個(gè)節(jié)點(diǎn)、32個(gè)梁單元。橫向分析時(shí)鋼筋混凝土構(gòu)件考慮鋼筋作用,本次設(shè)計(jì)在橋面板頂緣以下和底緣以上4 cm處分別配置公稱直徑為20 mm和16 mm的橫向主筋,縱向間距均為120 mm,主筋型號(hào)為HRB400。分別得到承載能力極限狀態(tài)下抗彎承載能力和正常使用狀態(tài)下裂縫寬度計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示,其中γ為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),Mu,max、Mu,min、Mn,max和Mn,min分別為截面抗彎設(shè)計(jì)值最大值、抗彎設(shè)計(jì)值最小值、抗彎容許值最大值和抗彎容許值最小值,模型單元連續(xù)編號(hào),橫坐標(biāo)取單元編號(hào)的J端。

圖8 橫向分析有限元模型圖

圖9 抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果曲線圖

圖10 裂縫寬度計(jì)算結(jié)果曲線圖

橋面板中跨跨中和中支點(diǎn)(槽型梁靠近中跨上翼緣與橋面板連接處)截面抗彎承載力安全富裕度基本相當(dāng),分別為2.1和1.7。中跨跨中截面底緣裂縫寬度為0.074 mm,中支點(diǎn)截面頂緣裂縫寬度為0.095 mm,均小于規(guī)范限值0.2 mm。以上結(jié)果表明橋面板配筋合理可行,中跨跨中和剪力鍵處的橋面板厚度選取得當(dāng),整體材料較為經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

本文以某高速公路50 m跨徑槽型組合梁為研究對(duì)象,基于有限元數(shù)值模擬軟件,分別建立了縱、橫向分析模型,主要結(jié)論如下:

(1)槽型梁施工階段上翼緣應(yīng)力較為不利,當(dāng)考慮活載后,下翼緣應(yīng)力增加較快,但整體而言,上、下翼緣在成橋狀態(tài)下應(yīng)力水平均較高。當(dāng)跨徑較大時(shí),應(yīng)對(duì)槽型梁縱向劃分多個(gè)梁段,必要時(shí)跨中梁段可選取高強(qiáng)度等級(jí)的鋼材。

(2)橋面板混凝土呈現(xiàn)多點(diǎn)彈性支承連續(xù)梁受力特征,由于中跨跨徑相對(duì)較大,靠近中跨的剪力鍵處截面負(fù)彎矩較為不利。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合橋面板承載能力和裂縫寬度計(jì)算結(jié)果確定不同位置的橋面板厚度和鋼筋型號(hào)。