大跨徑波形鋼腹板箱梁橋試設計與結構驗算

游正君， 曹 萱， 嚴 靖

(武漢工程大學 資源與安全工程學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

波形鋼腹板PC組合箱梁問世于20世紀80年代,是一種新型組合結構橋梁,腹板采用波形鋼替換傳統混凝土,是一種更加經濟、合理、高效的結構形式[1]。在波形鋼腹板PC組合箱梁橋受力分析時,部分學者僅以等效剛度原則替換了腹板材料[2,3],并未考慮不同橋型結構設計參數的相應改變,所得結論與實際工程具有一定差距。同時,橋梁工程界學者對波形鋼腹板PC組合箱梁的研究多針對單片梁的受力性能[4,5],對全橋結構受力鮮有研究。本文結合地方規范[6-8]并依托原橋型為預應力混凝土連續剛構橋的涼水特大橋,利用MIDAS Civil軟件建立波形鋼腹板PC組合箱梁橋模型,并進行不同極限狀態下預應力混凝土構件應力驗算。此研究對波形鋼腹板PC組合箱梁橋的發展與工程實際應用具有一定的推廣和借鑒意義。

1 結構形式優勢

波形鋼腹板PC組合箱梁橋較預應力混凝土箱梁橋具有如下優勢:

(1) 波形鋼腹板箱梁結構結合混凝土的抗壓和鋼板的輕質與抗剪,在減小結構自重方面有更大的優勢。

(2) 波形結構不僅提高了預應力的施加效率,也避免產生腹板裂縫,裝配式施工加快了施工進度,體外預應力束易于后期拆換和維修加固。

2 工程概況

涼水特大橋主橋為86+160+86 m三跨預應力混凝土變截面連續剛構橋,采用上下行分離式斷面,半幅橋梁寬度0.50 m(護欄)+10.75 m(行車道)+0.50 m(護欄)=11.75 m。主梁號梁段采用墩頂托架法澆筑,懸臂段采用掛籃法施工,邊跨現澆段采用托架現澆施工。

涼水特大橋原設計橋型為預應力混凝土連續剛構橋,本文擬將其設計為波形鋼腹板PC組合連續剛構橋。

2.1 尺寸參數

試設計涼水特大橋跨徑為86+160+86 m,邊中跨比為0.538。梁高對結構受力分析影響較大,出于減少變量的考慮,所設計波形鋼腹板PC組合箱梁橋保持原橋型高跨比不變,箱梁與橋墩相接的根部斷面及墩頂0號梁段高9.5 m,主梁根部處高跨比為1/16.8,跨中及邊跨現澆段梁高3.8 m,跨中處高跨比為1/42.1。梁底曲線采用1.8次拋物線,主梁縱斷面構造圖如圖1所示。

圖1 主梁縱斷面構造圖(單位：cm)

波形鋼腹板厚度變化采用自主梁根部至跨中22 mm～18 mm～14 mm變化,主梁根部設置80 cm厚的內襯混凝土。波形鋼腹板PC組合箱梁橋主梁標準橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁標準橫斷面圖(單位：cm)

為保證足夠的抗扭剛度和橫向抗彎剛度。試設計橋梁主墩墩頂共設置8道0.7 m厚的墩頂橫隔板,兩邊跨梁端各設一道2.0 m厚端橫隔板,邊跨各設置3道中橫隔板,中跨共設置6道中橫隔板。原預應力混凝土橋中橫隔板僅在中跨設置了2道。

2.2 設計荷載

(1)恒載：

一期恒載:主梁采用C55混凝土。

二期恒載:8cm混凝土調平層;8cm瀝青混凝土鋪裝層;SS級墻式護欄。

(2)汽車荷載：

公路-Ⅰ級。

(3)預應力：

由于波形鋼腹板的褶皺效應,腹板幾乎不承擔壓應力,僅于混凝土頂、底板配置縱向體內預應力懸澆束(22Φs15.2 mm鋼絞線,共72束)和合攏束(17Φs15.2 mm鋼絞線,共36束)。同時根據可變荷載設置體外預應力鋼束(22Φs15.2 mm鋼絞線,共22束)。

(4)混凝土徐變及收縮的影響：

參照文獻[7]附錄C進行計算。

(5)溫度影響：

主梁整體升/降溫:30℃/-40℃。

(6)基礎變位影響：

連續結構不均勻沉降:2.5cm。

3 建立有限元模型

利用MIDAS Civil軟件建立波形鋼腹板PC組合箱梁橋模型,主墩墩頂0#梁段及邊跨支座梁段為混凝土腹板箱型截面,其余梁段為波形鋼腹板PC組合箱型截面,采用Midas自帶的波形鋼腹板箱梁設計截面模擬,主梁截面模擬如圖3所示。

圖3 波形鋼腹板PC組合箱梁截面

邊界條件模擬為:墩梁固結,墩底約束全部自由度,成橋階段主橋兩邊跨設置滑動鉸支座。根據結構特點,將結構劃分為1 051個節點、1 044個梁單元。全橋結構有限元模型如圖4所示。

圖4 波形鋼腹板PC組合箱梁橋有限元模型

4 結構驗算

4.1 持久狀況承載能力極限狀態計算

4.1.1 正截面抗彎承載力驗算

參考文獻[9]計算出波形鋼腹板PC組合箱梁受彎構件正截面抗彎承載力,利用MIDAS Civil得出主梁在承載能力極限狀態下主梁最大/最小彎矩設計值。主梁正截面彎矩包絡圖如圖5所示。

圖5 承載能力極限狀態主梁彎矩包絡圖

由圖5可知,承載能力極限狀態最大/最小作用效應組合彎矩設計值均在結構抗彎承載力允許范圍內,滿足結構抗彎驗算要求。

4.1.2 波形鋼腹板剪應力驗算

參考文獻[10],承載能力極限狀態波形鋼腹板抗剪強度應滿足:

γ0(τmd+τtd)≤fvd(1)γ0(τmd+τtd)≤τcr

(2)

γ0(τmd+τtd)≤τcr,L

(3)

γ0(τmd+τtd)≤τcr,G

(4)

式中:fvd為波形鋼腹板抗剪強度設計值;τmd為豎向荷載與預應力產生的剪應力設計值;τtd為扭矩產生的剪應力設計值;τcr為波形鋼腹板組合屈曲臨界剪應力;τcr,L為波形鋼腹板局部屈曲臨界剪應力;τcr,G為波形鋼腹板整體屈曲臨界剪應力。

承載能力極限狀態下波形鋼腹板抗剪強度驗算結果及剪切穩定性驗算結果如圖6和圖7所示。

圖6 承載能力極限狀態下波形鋼腹板剪應力強度驗算

圖7 承載能力極限狀態下波形鋼腹板剪切穩定性驗算

由圖6可知,承載能力極限狀態波形鋼腹板剪應力均小于結構容許剪應力,滿足腹板抗剪強度驗算要求。

由圖7可知,承載能力極限狀態波形鋼腹板局部屈曲安全系數、整體屈曲安全系數、組合屈曲安全系數均大于1,滿足腹板剪切穩定性驗算要求。

4.2 持久狀況正常使用極限狀態計算

4.2.1 抗裂驗算

波形鋼腹板PC組合箱梁橋設計為全預應力混凝土構件,正截面混凝土拉應力應滿足:

σst-0.80σpc≤0

(5)

式中:σst為作用頻遇組合下箱梁邊緣混凝土的法向拉應力;σpc為扣除全部預應力損失后的預加力在邊緣混凝土產生的預壓應力。

持久狀況正常使用極限狀態作用頻遇組合下波形鋼腹板PC組合箱梁頂、底板抗裂驗算結果如圖8所示。

圖8 作用頻遇組合下主梁拉應力驗算

由圖8可知,波形鋼腹板箱梁頂、底板在正常使用極限狀態作用頻遇組合下均不產生拉應力,滿足混凝土抗裂驗算。

4.2.2 撓度驗算

依據文獻[9]第6.5.3條,由汽車荷載和人群荷載頻遇組合在梁式橋主梁產生的最大撓度不應超過計算跨徑的1/600。荷載頻遇組合下主梁撓度驗算如圖9所示。

圖9 荷載頻遇組合下主梁撓度驗算

由圖9可知,在荷載頻遇組合下波形鋼腹板PC組合箱梁橋主梁撓度均小于最大撓度允許值,滿足主梁撓度驗算。

4.3 持久狀況和短暫狀況預應力混凝土構件應力計算

4.3.1 持久狀況頂底板混凝土壓應力驗算

使用階段受壓區混凝土正截面最大壓應力應滿足:

σkc+σpt≤0.5fck

(6)

式中:fck為混凝土軸心抗壓強度標準值;σkc為使用荷載作用標準組合下混凝土受到的法向壓應力;σpt為預應力鋼束作用下混凝土受到的法向拉應力。

作用標準組合下主梁壓應力驗算如圖10所示。

圖10 作用標準組合下主梁壓應力驗算

由圖10可知,波形鋼腹板箱梁頂、底板在作用標準組合下壓應力均不大于17.75 MPa,滿足混凝土壓應力驗算。

4.3.2 持久狀況預應力鋼束應力驗算

依據文獻[9]第7.1.5條和文獻[10]第6.1.3條,持久狀況波形鋼腹板PC組合受彎構件,體內預應力鋼束的最大拉應力應不大于0.65倍預應力鋼束抗拉強度標準值,體外預應力鋼束的最大拉應力應不大于0.6倍預應力鋼束抗拉強度標準值,體內預應力鋼束錨下張拉控制應力應不大于0.75倍預應力鋼束抗拉強度標準值,體外預應力鋼束錨下張拉控制應力應不大于0.6倍預應力鋼束抗拉強度標準值。

持久狀況作用標準組合下預應力鋼束拉應力驗算結果表明,錨固端體內預應力鋼束張拉控制應力為1 330 MPa,小于拉應力容許值1 395 MPa,錨固端體外預應力鋼束張拉控制應力為1 116 MPa,不大于拉應力容許值1 116 MPa;使用階段體內預應力鋼束有效應力為1 168.35 MPa,小于拉應力容許值1 209 MPa;使用階段體外預應力鋼束有效應力為1 080.42 MPa,小于拉應力容許值1 116 MPa,預應力鋼束拉應力驗算滿足要求。

4.3.3 短暫狀況頂底板混凝土應力驗算

箱梁截面邊緣混凝土的法向應力需滿足壓應力不大于0.7倍軸心抗壓強度標準值,拉應力不大于1.15倍軸心抗拉強度標準值。

選取最大懸臂階段、中跨合攏階段、二期恒載階段、徐變10年后進行應力驗算,具體如圖11～圖14所示。

圖11 最大懸臂階段混凝土頂、底板壓應力

圖12 中跨合攏階段混凝土頂、底板壓應

圖13 二期恒載階段混凝土頂、底板壓應力

圖14 徐變10年階段混凝土頂、底板壓應力

圖11到圖14中,四階段中混凝土頂、底板均未出現拉應力。最大懸臂階段混凝土頂、底板應力驗算滿足要求;中跨合攏階段混凝土頂、底板應力驗算滿足要求;二期恒載階段混凝土頂、底板應力驗算滿足要求;徐變10年階段混凝土頂、底板應力驗算滿足要求。

5 結 論

(1)波形鋼腹板PC組合箱梁橋在減輕自重、減少裂縫、降低預應力損失方面性能均優于預應力混凝土箱梁橋,對解決預應力混凝土箱梁橋的病害問題具有積極作用。

(2)通過對不同極限狀態下波形鋼腹板PC組合箱梁橋模型的應力驗算分析,其驗算值均滿足驗算要求,試設計橋型是安全可靠的,對于實際橋梁設計有一定的借鑒意義。