單箱多室混凝土箱梁橋面板力學性能分析及配筋設計

李群鋒

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

單箱多室混凝土箱梁橋多應用于公路工程互通立交橋梁、跨線橋以及市政工程橋梁設計中，對于橋面板不配置橫向預應力束的情況下，一般橋寬在10 m以上就需要設計成單箱雙室或單箱多室。單箱多室箱梁腹板可以設計成直腹板或斜腹板，公路橋梁一般為直腹板式，市政橋梁則出于美觀考慮多采用斜腹板式。本文分析對象為公路工程直腹板式單箱多室箱梁橋結構，在混凝土箱梁橋結構整體計算中，將橋梁結構簡化為單個縱向梁按有限元空間桿系進行受力分析，其橫向僅考慮橫向分布影響，沒有進行橫向計算，因此，無法得到箱梁截面橫向受力狀態，也無法進行橫向配筋設計[1]。為了進一步研究其橫向受力狀態以及合理配筋，有必要進行箱梁的橫向計算。

1 橫向計算圖式

對于單箱多室箱梁橋的橫向計算，本文仍采用空間桿系程序。一般將箱形橫截面作為整體框架分析，在箱梁縱橋向方向截取單位長度的薄片框架，考慮橋梁縱、橫向撓曲的影響，沿腹板中軸線的豎向虛擬為彈性支撐，側向給以約束。彈性支撐的總體剛度根據主梁撓度可由式（1）確定：

式中：w(x)為單位荷載作用于計算梁段處荷載點下的主梁撓度。

為了方便計算，大多采用在腹板板底為剛性支承的橫向框架進行內力分析[1]，如圖1所示。

圖1 橫向框架計算簡圖

2 單箱多室混凝土箱梁橫向模型建立

圖2為單箱多室箱梁典型橫斷面圖。其中箱梁截面尺寸固定參數見圖中標注。截面尺寸變化參數：梁高h，腹板間距d以及懸臂長度c。

圖2 箱梁典型橫斷面（單位：cm）

箱梁采用C50混凝土，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土和8 cm C50調平層混凝土。箱梁懸臂端部為底寬50 cm SS級防撞護欄。

分析荷載：自重、二期恒載及車輛荷載。汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級，箱梁橫向分析屬橋梁結構局部分析，計算時采用車輛荷載。根據《公路橋涵設計通用規范》規定，汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數采用0.3[2]。

沿縱橋向截取1 m寬箱梁單元，采用Midas分析軟件對單箱多室箱梁建立橫向分析模型，考慮到截面及內力分布的對稱性，建立了如圖3所示的橫向桿系分析模型。

圖3 箱梁橫向分析模型

橋面板及懸臂板內力分析工況參數如表1所示。

表1 分析工況參數表 m

3 箱梁橋面板內力分析

3.1 橋面板內力隨梁高及腹板間距變化分布規律

首先探討梁高h對橋面板內力的影響大小。由結構力學理論可知，對于橫向框架結構，當框架柱高度較小時，框架橫梁受力性質類似于連續梁結構，而當框架柱高度較大時，框架橫梁受力性質類似于門式剛架，故其內力分布也有所不同。對于單箱多室箱梁橋面板極限承載能力設計狀態，在恒載和車輛荷載作用組合下，其橋面板跨中正彎矩M1、中腹板負彎矩M2以及中腹板剪力Qz分布隨梁高h的變化趨勢如圖4～圖6所示。

圖4 M1隨梁高h變化趨勢圖

圖5 M2隨梁高h變化趨勢圖

圖6 Qz隨梁高h變化趨勢圖

從圖4～圖6可知，隨著梁高h的增大，彎矩M1、M2以及剪力Qz值變化幅度均較小。圖7為在不同腹板間距下梁高h變化時橋面板彎矩M1、M2以及剪力Qz相對變化百分率絕對值分布示意圖。圖7表明：M1值變化率在4.7%以內，M2值變化率在2.8%以內，Qz值變化率在0.6%以內；此外，隨著腹板間距d的增加，橋面板內力值隨梁高h變化百分率總體呈減小趨勢。總體來說，梁高h對橋面板內力值無論是絕對值還是相對變化率的影響均較小。

圖7 橋面板內力值變化百分率

其次探討腹板間距d對橋面板內力的影響。從圖4～圖6還可以看出，橋面板彎矩M1、M2以及剪力Qz值是隨著腹板間距增大而增大。

3.2 橋面板懸臂根部內力隨懸臂長度變化分布規律

因橋面板懸臂根部內力與梁高h無關，故本文不作探討。通過分析，得出懸臂根部在恒載和車輛荷載作用組合下負彎矩M3及剪力Qz1值隨懸臂長度c值變化的分布圖如圖8所示。

圖8 懸臂根部內力隨懸臂c值變化趨勢圖

由圖8可知：隨著懸臂長度c值的增大，懸臂根部負彎矩M3值迅速增大，而懸臂根部剪力Qz1值略有減小趨勢。

4 箱梁橋面板配筋設計

根據單箱多室混凝土箱梁設計實踐經驗，本文橋面板頂、底橫向鋼筋沿縱橋向間距取10 cm，橋面板頂部橫向鋼筋混凝土凈保護層厚度為30 mm，底部橫向鋼筋混凝土凈保護層厚度為25 mm。頂、底層橫向鋼筋采用HRB400級鋼筋。

4.1 橋面板配筋設計

選取梁高h=2.4 m時各種腹板間距下橋面板內力值（此時內力值相對較大）對其進行配筋設計。表2為橋面板在不同腹板間距d值條件下的配筋設計及相應位置處正常使用極限狀態下裂縫寬度值。

表2 橋面板配筋設計及裂縫寬度

表2中橋面板相應配筋設計情形下的裂縫寬度能滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中關于鋼筋混凝土構件在Ⅰ類、Ⅱ類環境wcr≤0.2 mm和Ⅲ類、Ⅳ類環境wcr≤0.15 mm裂縫寬度限值要求[3]。

4.2 懸臂板配筋設計

根據上一小節橋面板懸臂根部內力計算值進行懸臂板配筋設計。表3為懸臂板在不同懸臂長度c值條件下的配筋設計及相應位置處正常使用極限狀態下裂縫寬度值，懸臂板根部相應配筋設計情形下的裂縫寬度能滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中關于鋼筋混凝土構件在Ⅰ類、Ⅱ類環境下wcr≤0.2 mm和Ⅲ類、Ⅳ類環境下wcr≤0.15 mm裂縫寬度限值要求[3]。

表3 懸臂板配筋設計及裂縫寬度

5 結論

a）對于公路工程常見的單箱多室混凝土箱梁，在恒載和車輛荷載作用組合下，箱梁梁高h對橋面板內力計算結果的影響較小，內力值計算誤差基本在5%以內。

b）在恒載和車輛荷載作用組合下，橋面板跨中正彎矩、中腹板處負彎矩及剪力值隨腹板間距增大而增大。對于懸臂板根部內力而言，懸臂根部負彎矩值隨懸臂長度增大而迅速增大，但懸臂根部剪力值則隨懸臂長度增大而略有減小。

c）基于橋面板和懸臂板在承載能力極限狀態組合下的內力計算結果，分別給出了橋面板和懸臂板的理論配筋設計，以供后續類似混凝土箱梁橋面板配筋設計參考使用。考慮到實際橋梁工程箱梁橫向配筋設計中，橋面板和懸臂板往往橫橋向為通長鋼筋且統一直徑型號以及部分鋼筋直徑型號不常用的設計慣例，在滿足結構承載能力和正常使用要求的前提下，設計人員可做適當調整。