“蝶”形箱梁斷面橋梁計(jì)算分析

楊 新 剛

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司天津分公司，天津 300042)

·橋梁·隧道·

“蝶”形箱梁斷面橋梁計(jì)算分析

楊 新 剛

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司天津分公司，天津 300042)

分析了“蝶”形箱梁斷面橋梁的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)建立計(jì)算模型，對(duì)該箱梁斷面(30+43+30)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行了研究，得到了可用于實(shí)際的施工方案，并闡述了具體的施工技術(shù)要點(diǎn)，以供參考。

“蝶”形箱梁，預(yù)應(yīng)力，大挑臂，計(jì)算

0 引言

橋梁是城市道路的重要組成部分，特別是大、中橋梁的建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)卣巍⒔?jīng)濟(jì)、國(guó)防等都具有重要意義。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化水平逐步提高，人們對(duì)于城市景觀要求越來(lái)越高，因此橋梁作為城市一定區(qū)域標(biāo)志性建筑，其造型的美觀性越來(lái)越重要。

橋梁應(yīng)具有優(yōu)美的外形，而且這種外形從任何角度看都應(yīng)該是優(yōu)美的。其結(jié)構(gòu)布置應(yīng)簡(jiǎn)練，并在空間上有和諧的比例；其形式應(yīng)與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，要較多地考慮建筑藝術(shù)上的要求。結(jié)構(gòu)布局和輪廓是橋梁美觀的主要因素，施工質(zhì)量對(duì)橋梁美觀也有很大影響。

橋梁按照所使用的材料可以分為鋼筋混凝土橋、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋、鋼結(jié)構(gòu)橋、木橋、圬工橋等。按結(jié)構(gòu)體系可以分為簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋、懸臂橋、剛構(gòu)橋、桁架橋及以上幾種體系的組合橋梁。按照橋梁斷面可以分為板梁、T梁、Π梁、小箱梁、大箱梁等。

箱梁截面具有良好的結(jié)構(gòu)性能，因而在現(xiàn)代各種橋梁中得到廣泛應(yīng)用。在中等、大跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，采用的箱梁是指薄壁箱形截面的梁。其主要優(yōu)點(diǎn)有：

1)截面抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)在施工與使用過(guò)程中都具有良好的穩(wěn)定性和整體性。

2)頂板和底板都具有較大的混凝土面積，能有效地抵抗正負(fù)彎矩，可滿足配筋的要求，適應(yīng)具有正負(fù)彎矩的結(jié)構(gòu)，如連續(xù)梁橋、拱橋、剛架橋、斜拉橋等，也更適應(yīng)于主要承受負(fù)彎矩的懸臂梁、T形剛構(gòu)等橋型。

3)適應(yīng)現(xiàn)代化施工方法的要求，如懸臂施工法、頂推法等，這些施工方法要求截面必須具備較厚的底板。

4)承重結(jié)構(gòu)與傳力結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使各部件共同受力，截面效率高，能適應(yīng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)空間鋼束布置，可達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效果。

5)對(duì)于寬橋，由于抗扭剛度大，跨中無(wú)需設(shè)置橫隔板就能獲得滿意的荷載橫向分布效應(yīng)結(jié)果。

6)適合于修建曲線橋，具有較大適應(yīng)性。

7)能滿足布置管線等公共設(shè)施需求。

箱梁截面分為小箱梁和大箱梁兩種類型。小箱梁由于每片梁一根一根縱向排列，從橋下仰視梁底，縱、橫梁密布，比較凌亂，且預(yù)制與現(xiàn)澆段有色差，景觀效果稍差。大箱梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、輕盈，行車平穩(wěn)，線條流暢，橋下視覺較通透開闊，總體上較為美觀舒適，結(jié)構(gòu)耐久性好，在現(xiàn)代城市橋梁中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

大箱梁斷面可以分為單箱單室、單箱雙室、雙箱單室、單箱多室、雙箱多室等斷面類型。其外形有直腹斷面、斜腹斷面。斜腹斷面因更符合現(xiàn)代城市氣息，在實(shí)際工程中的應(yīng)用更多。

“蝶”形箱梁斷面的外側(cè)斜底板與挑臂之間用圓曲線連接，形成倒圓弧曲線大挑臂，整個(gè)箱形形似蝴蝶，因而稱作“蝶”形箱梁斷面。該斷面挑臂較普通箱梁斷面更大，造型美觀，并且可以減小底板寬度，既減少了梁正彎矩區(qū)段混凝土用量，又可以減小墩臺(tái)尺寸(見圖1，圖2)。但是對(duì)于變截面箱梁，為保證斜腹板是一個(gè)平面，隨著梁高增大，底板寬度減小，對(duì)布置在底板中的預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固和彎起較為復(fù)雜。支點(diǎn)截面底板由于過(guò)窄，為滿足受壓面積的需要而增厚較多。

1 工程簡(jiǎn)介

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)大挑臂“蝶”形箱梁斷面某預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了可用于實(shí)際施工的方案，對(duì)大挑臂箱梁斷面預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的建設(shè)有一定指導(dǎo)意義。

1.1 主要參數(shù)

跨徑布置：30 m+43 m+30 m。橋梁設(shè)計(jì)使用年限：100年。橋面寬度：0.5 m(防撞護(hù)欄)+23 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)=24 m。安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)γo=1.1。汽車荷載：城—A級(jí)。箱梁汽車橫向分布調(diào)整系數(shù)：取1.15。基礎(chǔ)變位(不均勻沉降)：按10 mm計(jì)算。

1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

“蝶”形箱梁斷面的大挑臂形成倒圓弧曲線，線形流暢，輕盈。本工程結(jié)構(gòu)形式為變高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁，梁底按二次拋物線變化。43 m主跨支點(diǎn)處梁高2.6 m，跨中梁高2 m，單箱四室斷面，邊腹板為圓弧形斜腹板，中腹板為直腹板形式，箱梁橫斷面箱底寬8.8 m～11.5 m，箱頂寬24 m，箱梁挑臂4 m(見圖3，圖4)。

2 (30+43+30)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

用平面桿系模型按施工過(guò)程進(jìn)行全橋整體計(jì)算，計(jì)算模型如圖5所示。

2.2 主要計(jì)算結(jié)論

按預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件對(duì)主梁進(jìn)行驗(yàn)算，全橋各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求。主梁恒、活荷載作用下內(nèi)力及撓度如圖6～圖14所示。主要計(jì)算結(jié)論如下。

持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算：短期效應(yīng)組合下，正截面拉應(yīng)力σst-σpc=0.18 MPa≤0.7ftk，主拉應(yīng)力σtp=0.89 MPa≤0.5ftk=1.325 MPa，長(zhǎng)期效應(yīng)組合下，正截面無(wú)拉應(yīng)力，滿足《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》規(guī)定。

持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算：標(biāo)準(zhǔn)值組合下，最大壓應(yīng)力10.00 MPa≤0.5fck=16.2 MPa，滿足規(guī)范7.1.5條規(guī)定。最大主壓應(yīng)力σcp=11.99 MPa≤0.6fck=19.4 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定。

在汽車作用(不計(jì)沖擊力)下的豎向撓度為6 mm，約為L(zhǎng)/7 500，滿足要求。

承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3 挑臂設(shè)計(jì)

挑臂按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，分別取最外側(cè)箱室外邊截面及梁底外邊截面驗(yàn)算配筋，符合規(guī)范對(duì)于承載能力及裂縫的要求。

4 施工要點(diǎn)

1)支架必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，并采取措施消除壓縮變形，縱、橫、斜構(gòu)件結(jié)合緊密，整體性要好，能承受施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種荷載。

2)支架基礎(chǔ)一定要穩(wěn)固，并充分考慮支架變形以免由于支架沉降和變形過(guò)大，使箱梁混凝土產(chǎn)生裂縫。支架搭設(shè)后需施加相當(dāng)于箱梁重量110%～115%的堆載進(jìn)行不間斷預(yù)壓，預(yù)壓荷載應(yīng)全聯(lián)一次性加載，并觀測(cè)其變形和沉降，預(yù)壓持續(xù)時(shí)間不小于7 d，且3 d內(nèi)觀測(cè)累積沉降小于3 mm，方可立模澆筑箱梁混凝土。施工期間亦必須加強(qiáng)梁體及支架變形的檢測(cè)和控制。

3)支架上必須設(shè)置落架設(shè)備。落架待預(yù)應(yīng)力張拉完后、混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%方可進(jìn)行。拆除支架必須從跨中向支座依次循環(huán)進(jìn)行，落架時(shí)要對(duì)稱均勻，不應(yīng)使主梁處于局部受力狀態(tài)。

4)為防止模板變形，可在腹板中設(shè)對(duì)拉螺栓予以固定。

5)箱梁混凝土與模板、模板與支架的接觸面要采取措施以適應(yīng)混凝土收縮和溫度變形，防止產(chǎn)生裂縫。

6)箱梁混凝土澆筑時(shí)首先澆筑豎向支架剛度最為薄弱區(qū)域(遠(yuǎn)離豎向支架)的混凝土，然后再進(jìn)行剛度較大區(qū)域(豎向支架附近)混凝土的澆筑。澆筑箱梁混凝土?xí)r應(yīng)統(tǒng)一指揮，加強(qiáng)管理。

7)混凝土要求在初凝前一次澆筑完成，并振搗密實(shí)。澆筑時(shí)應(yīng)采取措施防止預(yù)應(yīng)力管道移位，在錨墊板和支座鋼筋網(wǎng)格鋼筋密集處應(yīng)保證混凝土密實(shí)，并保證錨墊板位置和傾角正確。

8)支架法現(xiàn)澆施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，且齡期不小于10 d才允許進(jìn)行張拉。

9)鋼束張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力為0.75fpk(為錨下控制應(yīng)力，而非油表讀數(shù))，預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)需同時(shí)滿足張拉力及引伸量的要求(雙控)，以張拉力為主，引伸量校核，實(shí)測(cè)引伸量與計(jì)算引伸量之差應(yīng)在±6%以內(nèi)。若張拉噸位與相應(yīng)引伸量值誤差過(guò)大，應(yīng)及時(shí)檢查原因，研究處理方法。

10)預(yù)應(yīng)力張拉次序按照橫向與縱向預(yù)應(yīng)力鋼束結(jié)合交錯(cuò)進(jìn)行張拉：先張拉一半的橫梁鋼束→張拉縱向腹板束→張拉剩余橫梁鋼束→張拉頂、底板鋼束；預(yù)應(yīng)力張拉按先長(zhǎng)束后短束、左右平衡對(duì)稱張拉的原則進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文通過(guò)對(duì)“蝶”形斷面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁工程實(shí)例的計(jì)算分析，得出了可用于實(shí)際施工的設(shè)計(jì)方案，對(duì)工程有一定的指導(dǎo)意義。

2)“蝶”形斷面橋梁縱橋向作為預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件，橫橋向大挑臂部分作為普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)合理的。

3)“蝶”形箱梁斷面的橋梁造型美觀，可以作為城市一定區(qū)域標(biāo)志性建筑。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程(上)[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] JTG/T D60-2004，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[S].

[3] JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] CJJ 11-2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Oncalculationandanalysisofbutterflyboxgirdersectionbridge

YANGXin-gang

(TianjinBranch,ShanghaiMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute(Group)Co.,Ltd,Tianjin300042,China)

The paper analyzes the advantages of the butterfly box girder section bridge, combining with the engineering examples, researches its (30+43+30) meter prestressed continuous beam calculation by establishing calculation models, and concludes factual construction scheme, and describes the construction technical points, so as to provide some reference.

butterfly box girder, prestress, big cantilever arm, calculation

1009-6825(2014)33-0152-03

2014-09-20

楊新剛(1984- )，男，碩士，工程師

U448.213

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