基于國外規范的多跨鋼混疊合梁橋的設計與分析計算

廖圓圓，蔣 望

（1.湖南省高速公路建設開發總公司，湖南 長沙 410001；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

隨著中國工程在海外市場的不斷拓展，一些國外的工程項目被國內的設計單位承接，國內橋梁設計師很少采用國外設計規范進行海外項目的設計，缺乏這方面的設計經驗［1－4］.因此，結合歐洲規范，作者擬提出多跨鋼—混疊合梁橋的設計方法，并在非洲乍得共和國的乍得大橋上獲得成功運用，以供同行借鑒與參考.

1 工程概述

乍得共和國的乍得大橋，是從喀麥隆進入乍得的門戶.乍得大橋是一座7跨連續鋼—混疊合梁橋，全長223m、其中中跨跨徑為33m，邊跨跨徑為28m，橋寬9m，雙向兩車道.鋼梁由2根工字型的鋼主梁通過橫隔板聯結而成，鋼主梁橫向間距5m、高1.5m；上翼緣板寬0.7m、板厚0.044m，下翼緣板寬0.7m、板厚0.060m，腹板厚0.016m，鋼主梁腹板根據穩定性計算布置水平和豎向加勁肋；支座處橫隔板腹板厚0.016m，其余橫隔板腹板厚0.012m.混凝土橋面板厚0.25～0.3m，瀝青混凝土橋面鋪裝厚0.06m.橋梁的下部結構采用鋼筋混凝土薄壁墩結構，墩頂寬1.2m，墩底寬1.8m；基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑1.0m，總體布置如圖1所示.因乍得共和國曾為法屬殖民地，故乍得大橋設計需按歐洲規范和法國規范進行設計.

圖1 乍得大橋總體布置（單位：cm）Fig.1 General arrangement of Chad large bridge（unit：cm）

2 基本設計參數取值

混凝土與鋼材等材料的容重、彈性模量及設計抗壓（拉）強度等基本參數均按歐洲規范ENV 1992—2和ENV 1993—2規定取值.

2.1 混凝土材料

橋面板和防撞欄桿基座混凝土強度等級為B35，橋頭搭板混凝土強度等級為B40，橋臺、橋墩、承臺及樁基混凝土強度等級為B30.鋼筋混凝土容重為25kN／m3；橋面鋪裝瀝青混凝土容重為22kN／m3；混凝土抗壓強度設計值為fc＝（其中：θ＝1.0，r＝1.5，f為混凝土bc2828d抗壓強度）；混凝土抗拉強度設計值ft＝0.6＋0.06fc28；混凝土彈性模量Ec＝11000.按公式計算所得的混凝土材料設計參數見表1.

表1 混凝土材料設計參數Table 1 Design parameter of concrete materials

2.2 鋼材

鋼板、鋼筋容重為78.5kN／m3.鋼材其他設計參數見表2.

表2 鋼材設計參數Table 2 Design parameter of steel product

3 法國規范規定的荷載、荷載組合橫向分布系數與沖擊系數的取值

3.1 荷載

1）汽車活載

汽車活載包括［5－9］：① Bc標準卡車荷載；②Mc120體系的軍事荷載；③ 特殊負荷：型號NIGER的車隊，定義為：半掛車42t，4個車軸分別為13，13，9.5和6.5t，分別間隔1.5，4和3m，在連續卡車之間縱向平移的距離為12.90m.3種汽車荷載縱橫向布置如圖2所示.

2）人群荷載

人行道的長度l＝100m，則人群荷載為：

在歐洲公路設計標準頒布以前，由于法國在歐洲的主導地位，常常以法國的荷載標準作為歐洲公路設計標準.因此橋梁結構荷載按照法國標準（CPC第Ⅱ章分冊61：道路橋梁荷載及檢測大綱）的規定選取.

3）二期恒載

二期恒載包括6cm橋面鋪裝、欄桿等共計為：13.4kN／m.

4）施工階段荷載

包括支架（鋼梁支撐）、模板、人員及施工設備等，施工荷載取值為6.0kN／m；施工荷載引起的偶然作用力不計.

5）溫度荷載［10］

整體溫度變化：少見情況＋50°C和－10°C；常見情況＋30°C和－6°C.截面溫度梯度：少見溫度的差異：±10°C，常見溫度的差異：±5°C，即T1＝±10°C（±5°C），T2＝0°C.

6）支座不均勻沉降：按1.0cm取值.

圖2 汽車荷載布置示意（單位：m）Fig.2 Design parameter of motor vehicle loading（unit：m）

3.2 荷載組合

1）正常使用狀態下的作用力結合

①少見組合：Gmax＋Gmin＋1.2Qr＋Tf；②常見組合：Gmax＋Gmin＋0.72Qr；③建設階段：Gmax＋Gmin＋Qpra＋Qprc＋Tf

2）承載能力極限狀態下的作用力結合

①基本組合：1.35Gmax＋Gmin＋1.35Qrp；②建設階段：1.35Gmax＋Gmin＋Qprc＋1.3Qpra；③偶然組合：Gmax＋Gmin＋FA.其中：Gmax為不利的持久作用力的集合；Gmin為有利的持久作用力的集合；Tf為由常見熱效應引起的作用力的集合；TR為由少見熱效應引起的作用力的集合；FA為偶然的作用力；Qr為Bc系列、Niger車隊荷載引起的作用力Qrp為Mc120體系軍事荷載引起的作用力；Qpra為施工荷載引起的偶然作用力；Qprc為施工荷載引起的已知作用力.

3.3 荷載橫向分布系數及沖擊系數

1）活載橫向分布系數計算

選取橫向1／2結構（一片鋼梁）進行有限元分析，利用杠桿法來計算單片疊合梁的活載橫向分布系數.

圖3 Bc系列車輪橫向布置及橫向分布的影響線Fig.3 Influence line of Bc wheel transverse distribution

圖4 Mc120系列車輪橫向布置及橫向分布的影響線Fig.4 Influence line of Mc120wheel transverse distribution

①Bc系列汽車荷載的橫向分布系數，車輪橫向布置及橫向分布影響線豎向坐標如圖3所示.則Bc系列汽車荷載的橫向分布系數為：

②Mc120系列軍事荷載的橫向分布系數，車輪橫向布置及橫向分布影響線豎向坐標如圖4所示.則Mc120系列軍事荷載的橫向分布系數為：

2）沖擊系數計算

式中：L1為邊跨跨徑；L2為中跨跨徑；G為永久性荷載；S為系統中最大荷載.

4 有限元分析模型

根據設計圖紙中的結構布置和結構尺寸，取全橋1／2上部結構進行有限元分析.整個有限元模型采用兩類截面進行模擬，截面的詳細尺寸如圖5所示.A，B類截面在結構上的分布如圖6所示.有限元分析模型如圖7所示.

混凝土板有效寬度按邊跨跨中區域、中跨跨中區域與中間支點區域分別進行計算.1）邊跨跨中區域

式中：b0為工字鋼腿寬度.

因此，混凝土板有效寬度取全寬.

圖5 截面類型（單位：mm）Fig.5 Section type（unit：mm）

圖6 兩類截面在結構上的分布（單位：m）Fig.6 Structural distribution of the two Section type（unit：m）

2）中跨跨中區域

因此，混凝土板有效寬度取全寬.

3）中間支點區域

因此，混凝土板有效寬度取全寬.

圖7 乍得大橋上部結構有限元離散圖Fig.7 The superstructure finite element discrete picture of Chad Large Bridge

5 計算結果

5.1 承載力極限狀態荷載組合結果

按法國規范確定的荷載組合，承載力極限狀態荷載組合下主梁的彎矩包絡圖如圖8所示，其中主梁跨中最大正彎矩為12910kN·m，支點最大負彎矩為－14154kN·m；承載力極限狀態荷載組合下主梁的剪力包絡圖如圖9所示，最大剪力為－2784kN.

圖8 承載力極限狀態彎矩包絡圖（單位：kN·m）Fig.8 Bending moment envelope of limit state load carrying capacity（unit：kN·m）

圖9 承載力極限狀態剪力包絡圖（單位：kN）Fig.9 Shear force envelope of limit state load carrying capacity（unit：kN·m）

5.2 正常使用極限狀態荷載組合結果

按法國規范確定的荷載組合，正常使用極限狀態荷載組合下主梁的彎矩包絡圖如圖10所示，主梁跨中最大正彎矩為9384kN·m，支點最大負彎矩為－11026kN·m；正常使用極限狀態荷載組合下主梁的剪力包絡圖如圖11所示，最大剪力為－2085kN.正常使用極限狀態荷載組合下，主梁跨中截面鋼梁下緣最大應力為162.0MPa，混凝土板上緣最大應力為－5.5MPa；支點截面鋼梁下緣最大應力為－158.0MPa，混凝土板上緣最大應力為1.5MPa.

圖10 正常使用極限狀態彎矩包絡圖（單位：kN·m）Fig.10 Bending moment envelope of service ability limit state（unit：kN·m）

圖11 正常使用極限狀態剪力包絡圖（單位：kN）Fig.11 Shear force envelope of service ability limit state（unit：kN·m）

5.3 汽車活載作用下結果

汽車活載作用下，主梁各跨跨中最大撓度為－0.021m，小于L／600，滿足規范關于結構剛度的要求.

3種活載作用下主梁各跨跨中最大撓度分別為Bc體系－0.020m；Mc120體系－0.021m；Niger－0.007m.

5.4 頂推計算結果

頂推施工中，工字鋼主梁采用直接頂推施工不采用鋼導梁，每次頂推長度為1m，總共需要頂進240.8m，頂推過程如圖12所示.頂推過程采用有限元軟件Midas進行模擬，計算出在工字鋼主梁頂進過程中，工字鋼主梁所有截面出現的最大拉應力，如圖13，14所示.在整個頂推過程中，工字鋼主梁最大撓度為210mm；最大拉應力約為83MPa.

圖12 頂推過程示意Fig.12 Sketch of incremental launching process

圖13 頂推過程中工字鋼主梁最大拉應力（單位：MPa）Fig.13 The biggest tensile stress of I－beam steel in incremental launching process

圖14 頂推過程中導梁前端撓度變化Fig.14 The deflection change of the front launching nose in Incremental launching process

6 結語

介紹了采用歐洲規范對多跨鋼—混疊合連續梁橋進行設計和分析計算的方法，可使廣大橋梁工程師了解歐洲規范與中國規范的不同之處和差別.其主要差別體現在材料參數的取值不同，沖擊系數的計算公式不同，以及對汽車活載和荷載組合類型的規定不同.通過了解中外規范之間的差別，可為國內橋梁工程師從事類似海外工程項目提供有益的參考.

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