簡(jiǎn)支梁（板） 橋截面設(shè)計(jì)探討

徐明芳

（黔南交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 都勻 558000）

梁、板橋當(dāng)跨徑較小時(shí)，其占的空間高度是較小的，當(dāng)受最大洪水位控制和通航要求限制時(shí)，不得不加大跨徑，采用跨徑大的橋梁結(jié)構(gòu)尺寸高度較大，需要提高道路設(shè)計(jì)標(biāo)高來(lái)滿足受限要求，這樣既增高了墩、臺(tái)高度又增加了橋梁引道的工程數(shù)量，造成浪費(fèi)。

板橋具有設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單，便于架設(shè)施工支架和施工控制的優(yōu)點(diǎn)。一般跨徑不宜大于13 米，5 至10 米可以采用實(shí)心截面，13 至16 米采用空心板，20 米做成箱梁，13 到20 米的梁高從0.7 米到1.3 米，梁高逐漸增高，占據(jù)了空間。空心板和箱梁施工時(shí)控制芯模定位比較困難，拆除芯模則更不容易，因此施工單位多數(shù)是將其殘留在板中，給橋梁增加了荷載，若模板腐爛將影響橋梁使用的耐久性。

假設(shè)把梁優(yōu)化成邊梁，行車道部分用邊梁支撐的“槽形斷面”就可以少占橋下空間。如圖-1 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

1 設(shè)計(jì)上需要注意的事項(xiàng)

1.1 考慮設(shè)計(jì)截面便于施工

板橋施工一般采用整體支架現(xiàn)澆，支模時(shí)控制細(xì)部構(gòu)造尺寸的準(zhǔn)確精度要嚴(yán)格，尺寸的準(zhǔn)確性會(huì)影響后期的使用質(zhì)量。因此在選擇截面形狀時(shí)是設(shè)計(jì)人員必須慎重考慮的問(wèn)題，既要滿足結(jié)構(gòu)輕盈美觀，又要滿足施工方便為著手點(diǎn)。眾所周知方便施工支模的截面只有T 形和板，因?yàn)闆](méi)有芯模只需要拆除外模就可以了。

1.2 設(shè)計(jì)截面應(yīng)具有足夠的剛度

截面輕質(zhì)且高剛度能達(dá)到費(fèi)用省的目的，除了要滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求外，還有滿足持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力要求。這些要求必須選擇好構(gòu)件的材料和幾何形狀。特別是截面的幾何形狀是材料發(fā)揮其性能的關(guān)鍵。“槽型截面”就是用邊梁加大整個(gè)截面的抗彎剛度，使橋梁在荷載作用下?lián)隙仍诳刂品秶鷥?nèi)。

2 計(jì)算方法

單梁法的計(jì)算結(jié)果，只能算出縱向抗彎、抗剪和裂縫的內(nèi)力值，對(duì)跨寬比小于2 的板式結(jié)構(gòu)，還需要計(jì)算橫向截面的內(nèi)力值。因此，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)按雙向板計(jì)算，采用Midas civil 按梁格法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

梁格法能計(jì)算縱、橫向的受力結(jié)果，能準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)細(xì)部截面的內(nèi)力值，便于鋼筋配置。因此在11.5 米寬，5 到20米跨徑內(nèi)的“槽型”斷面結(jié)構(gòu)采用梁格法分析是合理的計(jì)算方法。

3 梁格模型的建立

3.1 槽型板（梁） 的梁格縱橫向梁格的劃分

將截面按1 米寬，共設(shè)10 根縱梁和兩根0.75 米的邊縱梁，橫向設(shè)端橫梁和1 米寬的橫梁。截面考慮X、Y、Z 6 個(gè)方向的約束，再加翹曲效果共7 個(gè)約束進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明考慮翹曲效果和不考慮翹曲效果情況下，恒載、汽車荷載的內(nèi)力值差別很大。作為整體板計(jì)算是必須考慮翹曲效果的。

縱向梁格按1 米單元?jiǎng)澐郑叞宀鸱殖伞癓”型，橫向梁格間距以不大于縱向梁格間距控制，縱梁與橫梁剛結(jié)，縱梁支座位置用彈性連接模擬，橫梁置于邊梁重心位置連線上，具體見(jiàn)圖-2。

3.2 支座的剛度計(jì)算

支座模擬是橋梁計(jì)算的關(guān)鍵，采用不合理的約束條件得到的結(jié)構(gòu)差異很大，做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要分具體情況對(duì)待，應(yīng)與實(shí)際情況相符才是可取得計(jì)算值。

板式橡膠支座的剛度計(jì)算式：

單元局部坐標(biāo)系X，軸方向剛度：SDx=EA/L

單元局部坐標(biāo)系Y，Z 軸方向剛度：SDy =SDz=GA / L

單元局部坐標(biāo)系X，軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度：SRx=GIp/L

單元局部坐標(biāo)系Y，軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度：SRy=EIy/L

單元局部坐標(biāo)系Y，軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度：SRz=EIz/L

式中：E、G 為板式橡膠支座抗壓、抗剪彈性模量；A為支座承壓面積；Iy , Iz 為支座承壓面對(duì)局部坐標(biāo)軸y、z 的抗彎慣性矩；Ip 為支座抗扭慣性矩；L 為支座凈高。

由于結(jié)構(gòu)為多支座支撐，建模時(shí)只考慮了SDx、SDy 、SDz 的約束剛度。支座具體布置見(jiàn)圖-3

3.3 端橫梁的作用

端橫梁的尺寸大小影響結(jié)構(gòu)中部板內(nèi)力值的變化，靠近支座位置出現(xiàn)負(fù)彎矩，在與邊梁、人行道相交附近出現(xiàn)大的彎矩和剪力，通過(guò)調(diào)整可得到其滿意（合理） 值。因此結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)必須驗(yàn)算端橫梁的強(qiáng)度，圖-4 是端橫梁在恒載汽車荷載（偏載） 作用下的內(nèi)力圖。

3.4 邊梁的設(shè)置

邊梁是用于支撐橫向結(jié)構(gòu)的主要承構(gòu)件，他的高矮對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值影響相當(dāng)大，一般情況下邊梁超出人行道1.1 至1.5 米即可。表-1 為20 米截面邊梁不同高度的中央單元恒載和車輛荷載的內(nèi)力值。

表-1

通過(guò)表-1 可以看出，邊梁的高低對(duì)板內(nèi)力值的影響很大，調(diào)整邊梁可改變板中央部分的內(nèi)力值。

在圖-5 中可看出汽車荷載在偏載作用下對(duì)邊梁的內(nèi)力影響情況，計(jì)算邊梁時(shí)必須考慮偏載作用。

3.5 荷載工況對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

在梁格結(jié)構(gòu)中考慮了混凝土收縮、徐變、系統(tǒng)溫度，溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)收縮、徐變對(duì)邊梁有影響，系統(tǒng)溫度對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)影響很小，溫度梯度對(duì)板部分單元的影響很大，在靠近邊梁的單元彎矩值和橫載彎矩值相當(dāng)。橋面鋪裝應(yīng)選擇瀝青混凝土，減小日照溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

在輸入溫度梯度荷載時(shí)、只在縱向梁格單元輸入就可以了，由于縱橫梁格是剛結(jié)的，結(jié)構(gòu)會(huì)傳遞給橫梁?jiǎn)卧＝Y(jié)構(gòu)自重在橫梁?jiǎn)卧袘?yīng)將材料的容重按零輸入，否則軟件會(huì)計(jì)入重復(fù)的部分，影響計(jì)算結(jié)果。

3.6 汽車荷載分布計(jì)算

在進(jìn)行荷載布置時(shí)，必須建立橫梁組，由橫梁組來(lái)傳遞荷載的分布，否則靠近車道布置的單元結(jié)構(gòu)分擔(dān)的汽車荷載差異很大，影響成果的使用。布置車道時(shí)應(yīng)在中間和偏載兩種情況下計(jì)算，取其單元受力最大值進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。中部板的恒載、汽車荷載作用下的內(nèi)力圖見(jiàn)圖-7。

3.7 結(jié)構(gòu)橫向計(jì)算

通過(guò)以上的計(jì)算橫向梁格的受力分析在結(jié)構(gòu)中有準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，可直接選擇需要計(jì)算的單元斷面進(jìn)行驗(yàn)算即可。應(yīng)注意的是當(dāng)跨徑大于13 米時(shí)其結(jié)構(gòu)的基頻應(yīng)采用5.969386，即沖擊系數(shù)為0.3。圖-6 中汽車荷載的內(nèi)力圖是中部橫向板單元在偏載作用下的圖形，說(shuō)明偏載對(duì)邊梁的影響較大。

3.8 沖擊系數(shù)計(jì)算

由于縱向是組合成的梁，橫向是板式結(jié)構(gòu)，用整體截面的剛度計(jì)算得的沖擊系數(shù)偏大，用離散的板單元截面的剛度計(jì)算得的沖擊系數(shù)偏小。由于考慮了翹曲效果的影響，結(jié)構(gòu)基頻計(jì)算只能用程序計(jì)算才是合理的，其不同跨徑的結(jié)構(gòu)基頻如表-2。

4 結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性

4.1 防撞擊設(shè)計(jì)

對(duì)于汽車行駛過(guò)程中對(duì)護(hù)欄或人行道的撞擊，設(shè)計(jì)時(shí)必須采取有效措施。槽型斷面的弱點(diǎn)跟中、上承式的拱圈，斜拉橋、吊橋的索塔一樣，必須要設(shè)防撞保護(hù)設(shè)施，如圖-1 所示。在所有防撞設(shè)施中，為了減輕橋梁自重，建議采用金屬梁柱式護(hù)欄。

4.2 裂縫寬度要求

表2 Midas 程序計(jì)算的結(jié)構(gòu)基頻

在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，為提高橋梁的使用質(zhì)量，橋梁的裂縫寬度考慮在0.16mm 以內(nèi)。

4.3 橋面附屬設(shè)施

由于橋梁人行道的不安全因素，在人行道與行車道之間貴州省要求設(shè)防護(hù)設(shè)施。盡量減少行人在車輛失控的狀態(tài)下受到的傷害。

5 槽型截面的特點(diǎn)

5.1 結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)

槽型截面為組合式截面，由一個(gè)實(shí)心板截面在加上兩個(gè)倒“L”型截面組成，具有倒“T”型截面的特點(diǎn)。把腹板既當(dāng)欄桿使用又當(dāng)橫向板的支撐梁，充分發(fā)揮了截面的抗彎能力。槽型截面具有面積較小，抗彎剛度大，施工便于支模的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)計(jì)算中只要滿足縱、橫向承載能力要求即可。

通過(guò)計(jì)算行車道中央橋面板厚度一般控制在跨徑的二十到五十分之一，即可滿足結(jié)構(gòu)要求。

5.2 槽型截面和矩形板、空心板、箱梁的比較

用一組5 到20 米的橋?qū)挒?1.5 米寬的“槽型截面”板（梁） 橋和5 到10 米的矩形板、13 米和16 米空心板、20 米箱型梁進(jìn)行受力分析后得到的工程數(shù)量和撓度值進(jìn)行比較，見(jiàn)表-3、表-4。

表3 5-20 米槽形截面橋梁工程數(shù)量

表4 5-20 米實(shí)心板、空心板、箱梁工程數(shù)量

通過(guò)設(shè)計(jì)分析，槽型截面在抗彎、抗剪、抗扭、抗裂縫能力上優(yōu)越于實(shí)心截面和空心板截面。當(dāng)橋梁跨徑在16 米及以下時(shí)，使用槽型截面鋼筋用量少，自重?fù)隙群突钶d撓度小，且對(duì)鋼筋需求量少，更經(jīng)濟(jì)。可在16 米及以下的橋梁中的推廣。

5.3 工程應(yīng)用實(shí)例

目前在工程上只在人行橋上較少使用，在車行橋中未得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

槽型截面優(yōu)點(diǎn)在于抗彎剛度大，截面面積較梁板橋小，鋼筋用量比同類梁板橋少，撓度能達(dá)到同類梁板橋的要求，不需要做人行道欄桿，施工中方便支模、拆模。由于邊梁成為主要受力結(jié)構(gòu)，存在需為邊梁設(shè)防撞設(shè)施的缺點(diǎn)。但是，通過(guò)在人行道內(nèi)側(cè)設(shè)置金屬梁柱式護(hù)欄，既保障橋上行人的安全，又巧妙地彌補(bǔ)了該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使得槽型截面在車行橋中可以進(jìn)行推廣。對(duì)不同跨徑的中部梁格進(jìn)行內(nèi)力統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，由于寬跨比不一樣其恒載、汽車荷載的內(nèi)力值沒(méi)有規(guī)律變化，只能對(duì)不同的寬跨比都要進(jìn)行具體的計(jì)算。