基于美國規(guī)范的印尼組合梁橋設(shè)計(jì)驗(yàn)算淺析

殷 亮，胡小康

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司; 公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁充分利用了鋼材和混凝土各自的材料優(yōu)勢(shì)，具有承載能力高、結(jié)構(gòu)剛度大、施工便捷快速、全壽命周期造價(jià)低等特點(diǎn)，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[1]。自20世紀(jì)60年度開始，已建設(shè)了包含組合鋼板梁橋、組合鋼箱梁橋、組合桁架梁橋、組合剛構(gòu)橋、組合拱橋及組合斜拉橋等各種形式的組合結(jié)構(gòu)[2]，其中組合鋼箱梁橋因其抗扭能力強(qiáng)、整體性好、特別適合曲線路線及大跨度等需求，成了該類結(jié)構(gòu)的主力軍。

1 工程概述

印度尼西亞雅加達(dá)至芝坎佩高速公路改擴(kuò)建工程采用了全長36.84 km的主線高架橋方案，橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用組合鋼箱梁，其中標(biāo)準(zhǔn)跨徑為60 m，此外還有少量的45 m、50 m、55 m、75 m、100 m和120 m跨徑類型。為方便工期和后期養(yǎng)護(hù)，75 m以下跨徑均采用簡支結(jié)構(gòu)體系[3]。工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)道路等級(jí)：高速公路。

(2)設(shè)計(jì)速度：80 km/h。

(3)橋下凈空：5.5 m。

(4)主線橋?qū)挘?3.5 m，雙向四車道。

(5)匝道橋?qū)挘?2.5 m，單向雙車道。

(6)車道寬度：3.5 m。

(7)荷載標(biāo)準(zhǔn)：印度尼西亞SNI-1725-2016。

(8)橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：美國AASHTO LRFD Bridge Design Specification 2014。

主線橋采用分幅布置，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示，具體為：0.5 m防撞護(hù)欄+10.5 m車行道+0.5 m防撞護(hù)欄+0.5 m中分帶+0.5 m防撞護(hù)欄+10.5 m車行道+0.5 m防撞護(hù)欄=23.5 m。

圖1 橋梁橫斷面布置(單位：mm)

2 組合鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便鋼梁運(yùn)輸，60 m簡支標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)采用窄鋼箱組合梁，主梁由開口的雙鋼箱梁和現(xiàn)澆混凝土橋面板組合而成，橫斷面布置如圖2所示。

圖2 上部結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：mm)

單幅橋面板全寬11 500 mm，挑臂長度為2 875 mm，箱室寬度1 900 mm，兩箱室凈距為1950 mm。鋼梁高度為2 350 mm，混凝土橋面板從厚度420 mm變化到200 mm，組合梁高跨比為1/20.9。

60 m簡支標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁計(jì)算跨徑為58 m，兩端設(shè)置鋼牛腿。為方便運(yùn)輸，鋼梁沿縱橋向劃分為5個(gè)節(jié)段，中間三個(gè)節(jié)段長度為12 m，兩端節(jié)段長度為11 m。

中間36 m區(qū)域采用日本SM570鋼材，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為450 MPa。鋼梁上翼緣寬度為450 mm，厚度為21 mm；底板寬度為2 000 mm，厚度22 mm；腹板高度為2 307 mm，厚度為20 mm。

兩端11 m區(qū)域采用日本SM520鋼材，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為355 MPa。鋼梁上翼緣寬度為450 mm，厚度為21 mm；底板寬度為2 000 mm，厚度22 mm；腹板高度為2 307 mm，厚度為16 mm，如圖3所示。

圖3 鋼梁三維視圖

鋼梁在工廠分段加工，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)存梁場(chǎng)后焊接成整體，整跨采用架橋機(jī)從地面斜向起吊，通過縱移、橫移到設(shè)計(jì)位置。

混凝土橋面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支架法現(xiàn)場(chǎng)澆筑，懸臂和箱室內(nèi)均設(shè)置有模板，如圖4所示。

圖4 鋼梁架設(shè)工法示意

3 荷載取值和荷載組合

3.1 主要設(shè)計(jì)荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重。按照結(jié)構(gòu)實(shí)際重量計(jì)算，此外，施工過程中的臨時(shí)模板取20 kN/m。

(2)汽車活載。根據(jù)印尼地方規(guī)范，汽車活載分為D荷載、KEL荷載和T荷載。D荷載為均布荷載，如圖5所示，折算為線荷載35.84 kN/m；KEL荷載為355.01 kN(考慮38%的沖擊系數(shù))；T荷載為車輛荷載[4]，如圖6所示。

圖5 印尼規(guī)范汽車D荷載加載模型

圖6 印尼規(guī)范車輛T荷載模型

(3) 溫度。橋位全年最高溫度為15 ℃，最高溫度為40 ℃。溫度梯度根據(jù)印尼規(guī)范，當(dāng)海拔小于500 m時(shí)，T1=12 ℃，T2=8 ℃。

(4)風(fēng)荷載。根據(jù)印尼地方規(guī)范，風(fēng)荷載計(jì)算如下：

Tew=0.0006×Cw×Vw2×Ab

式中：Cw取值1.2；Ab為面積；Vw為風(fēng)速。

(5)地震。設(shè)置鉛芯減隔震支座重，根據(jù)印尼地方規(guī)范，地震計(jì)算如下：

Teq=kh×I×Wt

kh=C×S

式中：C為基礎(chǔ)剪切系數(shù)，取值0.23；S為結(jié)構(gòu)類型因子，取值1.0；I為重要性系數(shù)，取值1.2；Wt為自重。

3.2 荷載組合

荷載組合分為施工狀態(tài)組合、正常使用狀態(tài)荷載組合(表1)、極限承載能力荷載組合(表2)和疲勞組合[5]，其中恒載自重在極限承載能力組合中，根據(jù)不同的材質(zhì)、部位和施工誤差采用不同的分項(xiàng)系數(shù)，如鋼結(jié)構(gòu)組合系數(shù)為1.1，混凝土組合系數(shù)為1.3，橋面鋪裝組合系數(shù)為2，比國內(nèi)規(guī)范中統(tǒng)一采用1.2的分項(xiàng)系數(shù)更為細(xì)致。

表1 正常使用狀態(tài)荷載組合

表2 極限承載能力荷載組合

4 設(shè)計(jì)規(guī)范驗(yàn)算

4.1 規(guī)范主要差異

美國AASHTO LRFD2014規(guī)范與國內(nèi)組合橋梁規(guī)范存在較大差異，主要有如下幾點(diǎn)：

(1)承載能力計(jì)算時(shí)采用塑性設(shè)計(jì)方法。

(2)截面剛度：假設(shè)混凝土橋面板在全橋均有效來計(jì)算內(nèi)力，但計(jì)算應(yīng)力時(shí)，需要考慮負(fù)彎矩區(qū)開裂影響。

(3)組合截面分成短期和長期截面，采用不同的彈性模量比。

(4)鋼結(jié)構(gòu)截面分為密實(shí)、非密實(shí)和細(xì)長3類，不同截面的計(jì)算方法不同。

(5)混凝土橋面板裂縫寬度沒有具體的限值，主要通過控制鋼筋的應(yīng)力、最大鋼筋直徑和間距來實(shí)現(xiàn)。

4.2 設(shè)計(jì)流程和驗(yàn)算內(nèi)容

組合鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)流程，應(yīng)按照鋼主梁和混凝土橋面板分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，其各個(gè)流程有不同的驗(yàn)算內(nèi)容，其設(shè)計(jì)流程和驗(yàn)算內(nèi)容如圖7和圖8所示。

圖7 鋼主梁設(shè)計(jì)流程圖

圖8 混凝土橋面板設(shè)計(jì)流程圖

在施工階段主要驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)上、下翼緣應(yīng)力，受壓翼緣的局部屈服應(yīng)力，腹板彎曲屈曲應(yīng)力等。

在正常使用狀態(tài)主要驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)的活載撓度、組合截面和非組合的恒載撓度、混凝土橋面板的應(yīng)力等。

在強(qiáng)度極限狀態(tài)主要驗(yàn)算組合結(jié)構(gòu)正彎矩區(qū)和負(fù)彎矩區(qū)抗彎承載力、抗剪承載力，包含腹板長細(xì)比限值、鋼梁上下翼緣長細(xì)比限值、受壓翼緣局部屈曲抗力、側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲抗力和腹板彎曲屈曲抗力等。

在疲勞極限狀態(tài)主要驗(yàn)算剪力釘和鋼梁受拉疲勞應(yīng)力幅。

對(duì)于剪力釘驗(yàn)算主要內(nèi)容包含剪力釘布置間距、伸入長度、疲勞抗力和極限承載能力等。

對(duì)于混凝土橋面板，主要驗(yàn)算不同狀態(tài)下的承載能力、最小配筋率和鋼筋間距等。

4.3 驗(yàn)算結(jié)果

鋼梁在跨中截面的驗(yàn)算結(jié)果見表3，支點(diǎn)截面的驗(yàn)算結(jié)果見表4，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表3 跨中截面鋼主梁驗(yàn)算結(jié)果(單位：MPa)

表4 支點(diǎn)截面的鋼主梁驗(yàn)算結(jié)果(單位：MPa)

橋面板采用AASHTO規(guī)范中板條法計(jì)算，結(jié)果見表5，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表5 混凝土橋面板驗(yàn)算結(jié)果表格

5 結(jié) 論

通過以上闡述和計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)美國AASHTO規(guī)范與國內(nèi)的組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范相比，無論是設(shè)計(jì)理念還是設(shè)計(jì)方法上均具有較大差別，從而導(dǎo)致橋梁設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性相差甚遠(yuǎn)。目前，國內(nèi)組合結(jié)構(gòu)橋梁還處于起步階段，需要通過不斷的學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的技術(shù)成果，提高國內(nèi)的組合橋梁設(shè)計(jì)水平，同時(shí)，在海外工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，需要不斷地了解和尊重當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)習(xí)慣，才能設(shè)計(jì)出符合地方國情的橋梁作品。