淺談預應力鋼-混組合箱梁橋設計

王佳

（合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041）

淺談預應力鋼-混組合箱梁橋設計

王佳

（合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041）

以實際工程背景合肥市西二環集賢路立交為實例，通過方案比選，在跨徑、梁高、橋墩位置受限時采用預應力鋼-混組合梁比鋼箱梁和預應力混凝土箱梁更合理。同時采用有限元軟件，對預應力鋼-混組合梁各構件應力、抗裂進行分析，以及對主梁剛度及鋼構件疲勞進行分析，為今后類似工程提供參考。

預應力鋼-混組合梁；方案比選；應力；剛度；疲勞驗算

0　引言

本文結合合肥市西二環-集賢路節點上跨立交第二聯三跨38+48+41.5（m）預應力鋼-混組合箱梁實例，對該型橋梁在實際設計過程中出現的問題進行歸納，以供類似工程參考與借鑒。

1　工程概況

合肥市西二環-集賢路節點互通立交含一個南北向由集賢路跨越西二環路的主線橋，以及一個由東向南從西二環路進入集賢路的匝道橋。其中，主線橋位于第二層，匝道橋位于第三層。主線橋共三聯，其中，第二聯跨越二環路，為單向3車道，橋面凈寬11 m，兩側各設0.5 m防撞護欄。由于立交線形的限制，主線橋與二環路夾角為26°52′，該處二環路西側機動車道寬14 m，東側機動車道寬15.5 m，中間綠化帶寬度為3 m。由此，布置墩位確定主跨跨徑為 48 m，第二聯采用 38 m+48 m+41.5 m預應力鋼-混組合梁橋。主線橋平面為S形曲線，第二聯兩端位于半徑350 m的圓曲線內，中間為緩和曲線段。

2　橋型選擇

2.1橋型初選

針對城市跨線立交橋一般采用梁式橋的特點，第二聯初選三種橋梁形式，即預應力混凝土連續梁，連續鋼箱梁及預應力鋼-混組合梁。

2.2方案比選

由于橋下綠化帶較窄，主橋與二環路夾角小，導致中墩只能采用獨柱墩。選用鋼箱梁會由于梁體自身重量輕而容易產生傾覆的危險；選用預應力混凝土連續梁則會導致根部梁高較大，這樣會增加主線橋和匝道橋的橋長，不太經濟，且施工期間影響交通。由此，可以考慮一種橋型在兼顧主梁高度盡量小的情況下還能保持梁體有足夠的自重防止傾覆的危險，因此選用預應力鋼-混組合梁較為合適。

3　設計思路

對于連續鋼-混組合梁橋，為了克服墩頂負彎矩對橋面板的影響，一般可以采用以下幾種方法進行設計：（1）在負彎矩區配預應力鋼束；（2）給墩頂處鋼箱梁一個負沉降量，具體方法是拼裝完鋼箱梁后利用千斤頂將墩頂處主梁頂升，然后綁扎鋼筋，澆筑橋面板，最后將主梁歸位，實際上給主梁負彎矩處一個預壓力。由于該橋中墩采用固定墩，故該橋采用第一種方法。

4　橋梁構造

該聯主梁梁高2.3 m，采用單箱雙室斜腹板截面，扣除兩外側外包防撞護欄寬度10 cm后的箱頂寬11.8 m，鋼箱底寬6.194 m，鋼箱與混凝土橋面板采用剪力釘固定，頂板在剪力釘處厚40 cm，在箱室跨中板厚28 cm（見圖1）。橋面板部分縱向按A類預應力構件設計，預應力束布置在橋面板上，采用14-φs15.2及15-φs15.2低松弛高強度預應力鋼絞線；采用群錨體系，由塑料波紋管制孔，所有鋼束均采用兩端張拉。

圖1　鋼-混組合梁斷面圖（單位：cm）

鋼箱一般斷面底板厚24 mm，腹板厚16 mm，支點附近加厚至底板30 mm，腹板20 mm；橫隔板一般斷面厚16 mm，支點附近加厚至18 mm及20 mm，橫隔板間距4 m，支點處附近加密。固定墩處鋼箱內填充C50無收縮混凝土。

5　計算模型

5.1計算模式

該聯采用MIDAS2012軟件進行計算。采用空間桿系單元，共149個節點，142個單元，其模型見圖2所示。

圖2　鋼-混組合梁有限元模型

主梁采用組合截面，其中一個中間墩為固定墩，采用鋼管混凝土柱，模型中也采用組合截面，施工中考慮施工聯合截面效應。

5.2施工階段劃分

施工階段劃分內容見表1。

表1　施工階段劃分表

6　結果分析

6.1鋼箱截面施工階段應力驗算

鋼箱截面在各施工階段應力狀況如圖3～圖9所示。

圖3　第一施工階段應力云圖

圖5　第三施工階段應力云圖

圖6　第四施工階段應力云圖

圖7　第五施工階段應力云圖

圖8　第六施工階段應力云圖

圖9　第七施工階段應力云圖

根據以上計算結果，施工階段鋼箱截面上下緣最大壓應力為169.5 MPa，最大拉應力為80.1 MPa，Q345q-C鋼材允許彎曲應力為〔σw〕=210 MPa。

施工階段鋼箱截面上下緣應力極值均未超過容許值，滿足規范要求。

6.2橋面板截面施工階段應力驗算

橋面板截面在各施工階段應力狀況如圖10～圖15所示。

圖10　第二施工階段應力云圖

圖11　第三施工階段應力云圖

圖12　第四施工階段應力云圖

圖13　第五施工階段應力云圖

圖14　第六施工階段應力云圖

圖15　第七施工階段應力云圖

根據以上計算結果，施工階段橋面板截面上下緣最大壓應力為12.6 MPa，最大拉應力為1.36 MPa，該點為預應力最長束T5錨固點，結果可忽略，其它點均為壓應力。施工階段C50混凝土容許壓應力為，容許拉應力為：。

施工階段橋面板截面上下緣應力極值均未超過容許值，滿足規范要求。

6.3鋼箱截面正常使用階段組合應力驗算

正常使用極限狀態下，鋼箱截面在標準值組合作用下應力達到最大，應力狀況如圖16、圖17所示。

組合1（支座沉降+移動荷載+整體降溫+梯度降溫+恒荷載+鋼束一次+鋼束二次+徐變二次+收縮二次）系數均為1。

圖16　標準值組合主截面正應力云圖1

組合2（支座沉降+移動荷載+整體升溫+梯度升溫+恒荷載+鋼束一次+鋼束二次+徐變二次+收縮二次）系數均為1。

圖17　標準值組合主截面正應力云圖2

組合截面的受剪承載力驗算，全截面豎向剪力如圖18所示。

圖18　標準值組合鋼箱梁截面豎向剪力云圖

由圖18可知最大豎向剪力為9 155.2 kN。可以保守認為全部剪力由鋼箱腹板承受，腹板的剪應力大小為：V/（hw×tw）=9155.2/（3×0.018×1.645）= 103 064.3（kN/m2）=103.1（MPa）＜120 MPa。

根據以上計算結果，正常使用階段主截面上下緣最大壓應力為177.3 MPa，最大拉應力為51.4 MPa；最大剪應力為103.1 MPa；Q345q-C鋼材允許彎曲應力為〔σw〕=210 MPa，允許剪應力〔τ〕=120 MPa。

正常使用階段主截面上下緣應力極值均未超過容許值，滿足規范要求。

6.4橋面板截面正常使用階段應力驗算

正常使用極限狀態下，橋面板應力狀況如圖19、圖20所示。

根據以上計算結果，橋面板截面在正常使用階段長期效應組合下，上下緣只在最長的T5束張拉端一個節點出現拉應力，其余均為壓應力；短期效應組合下，上下緣只在最長的T5束張拉端一個節點出現拉應力，其余均為壓應力；標準值組合下，最大壓應力為8.78 MPa。

圖19　短期效應應力云圖

圖20　長期效應應力云圖

根據規范要求，A類預應力混凝土構件作用長期效應組合下不允許出現拉應力。作用短期效應組合下，C50混凝土容許拉應力為：［σtp］=0.7× 2.65=1.855（MPa），容許主拉應力為：［σtp］=0.5× 2.65=1.325（MPa）；C50混凝土容許法向壓應力為［σkc+σpt］=0.5×32.4=16.2（MPa），容許主壓應力為［σcp］=0.6×32.4=19.44（MPa）。

正常使用階段橋面板上下緣應力極值均未超過容許值，滿足規范要求。

6.5鋼束應力驗算

正常使用極限狀態荷載作用下，箱梁預應力鋼束最大拉應力為1 181（MPa），容許最大拉應力為0.65×1860=1 209（MPa），滿足規范要求。

6.6主梁剛度驗算

汽車（不計沖擊）作用下截面的最大撓度允許值為：

邊跨 ：L/800=41500/800=51.9（mm）（其中L為計算跨徑）。

中跨：L/800=48000/800=60.0（mm）（其中L為計算跨徑）。

根據計算結果表明，活載作用下中跨跨中節點豎向最大向下位移為11.8 mm＜60 mm，邊跨跨中節點豎向最大向下位移為9.9 mm＜51.9 mm，滿足要求。

6.7鋼構件疲勞驗算

該橋主要對不同厚度的底板相接處及橋墩墩頂處、跨中等應力較大的地方進行疲勞驗算。

底板變厚度相接處的橫向對接焊縫主體驗算，可知容許應力幅為114.6（N/mm2）。

表2和表3為各跨底板不同厚度相接處的應力最大值與最小值，其中25節點為第一跨，55節點及73節點為第二跨，105節點為第三跨。可以看出各點的應力幅值均小于允許應力幅值，滿足要求。

從模型里可以查出中墩墩頂處的最大、最小應力值，其中40節點為P4墩墩頂節點，88節點為P5墩墩頂節點，可以看出各點的應力幅值均小于允許應力幅值，滿足要求。

7　結果分析

經過計算分析，主梁在施工階段及使用階段橋梁各部分應力驗算、抗裂驗算、主梁剛度驗算，以及鋼構件疲勞驗算均滿足規范要求。

該橋的設計重點在于橋面板的預應力設置，以及固定墩的設計，在設計過程中需要注意合理設置臨時支撐點，注意預應力張拉順序，同時由于鋼與混凝土兩種材料不同的特性，橋面板采用鋼纖維混凝土能提高混凝土的抗裂性能。

表2　各跨底板不同厚度相接處的應力最大值與最小值一覽表（1）　N/mm2

表3　各跨底板不同厚度相接處的應力最大值與最小值一覽表（2）　N/mm2

8　結　語

鋼-混組合梁是一種增加跨越能力、降低主梁高度的新型橋型。該橋型有效地利用了混凝土受壓性能強及鋼材受拉性能強的特點，同時該橋施工速度快，對橋下交通影響小。在梁高有限制、城市跨線橋受施工條件的限制或為了加快施工速度等情況下，是較適用的橋型。

U442.5

B

1009-7716（2016）01-0051-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.016

2015-09-09

王佳（1985-），男，湖北黃梅人，碩士，工程師，從事橋梁工程設計工作。