大跨度槽型組合梁結構設計合理性驗算分析

吳曉華

(廣西壯族自治區南寧江北公路養護中心,廣西 南寧 530001)

0 引言

高速公路建設中,橋梁大多以中小跨徑裝配式預應力混凝土結構為主,當橋梁跨越深溝、既有高速公路時,受地形地質條件影響,必然采用大跨度結構形式,而鋼結構具有承載能力高、施工便捷等突出優勢,通常作為首選結構。鋼混組合結構力學性能優于鋼結構,相同跨徑可降低梁高,同時橋面板混凝土施工時可依托鋼作為底模,因此鋼混組合結構具有廣闊的應用前景。在歐美、日韓等發達國家中,鋼混組合橋梁占比大,橋梁施工質量易于控制,更加重視低碳環保理念,而國內鋼混組合橋梁的發展歷程較短,應用規模相對較小,對于該類橋型的相關研究也有待進一步提升。

鋼混組合梁鋼結構部分通常包括鋼箱、鋼桁、鋼板等形式,橋面板大多采用預制施工,預制板通過濕接縫連接成整體,施工速度較快。在鋼箱組合梁中,將鋼箱上翼緣設置為開口形式的槽型組合梁出現較晚。李杰等[1]對鋼混組合梁的應用現狀、發展趨勢和關鍵性技術問題進行了闡述;郭飛等[2]從鋼箱組合梁角度入手,構思了一種新型槽型組合梁結構形式并對施工過程進行了重點分析;王浩[3]通過模型試驗手段研究了波形鋼腹板槽型組合梁靜力和疲勞性能;陳剛[4]經多方案比選,對推薦方案大跨徑鋼桁-槽型梁組合結構橋構造特點、受力性能和施工工藝進行了可行性研究;左一澤等[5]通過實體節段有限元模型分析了槽型雙箱組合梁斜拉橋橋面板的有效寬度。目前,關于槽型組合梁的相關研究不夠系統和深入,大多停留在方案設計與施工工藝方面,對于特定跨徑槽型組合梁整體設計參數的介紹和結構計算分析上缺少一定的研究。本文通過實際工程案例,對50 m大跨徑簡支槽型組合梁設計參數和計算情況進行詳細闡述,以提高橋梁設計人員對于槽型組合梁的認識。

1 結構設計

某車行天橋上跨高速公路,為避免在高速公路中分帶落墩,降低運營高速安全風險,經橋型方案比選后,采用一跨50 m大跨徑槽型組合梁跨越高速公路。車行天橋主要技術標準為:(1)單向雙車道設計,橋梁總寬13 950 mm;(2)設計速度100 km/h;(3)荷載等級為公路-Ⅰ級;(4)地震動峰值加速度為0.05 g。結構按分離式兩箱槽型梁設計,組合梁總高3 000 mm,高跨比為1/16.7,其中槽型梁高度2 600 mm,與槽型梁連接處的橋面板混凝土厚度400 mm,橋面板混凝土橫向跨中厚度260 mm,按照鋼筋混凝土構件設計。由于跨徑較大,為適應受力需要,槽型梁縱向劃分為5個梁段,標準橫斷面和梁段劃分情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 標準橫斷面圖(mm)

圖2 梁段劃分示意圖

主要設計參數如下:梁段1長度為9 500 mm,上翼緣、腹板和底板厚度分別為26 mm、20 mm和26 mm;梁段2長度為9 000 mm,上翼緣、腹板和底板厚度分別為34 mm、18 mm和32 mm;梁段3長度為12 880 mm,上翼緣、腹板和底板厚度分別為38 mm、18 mm和36 mm。上翼緣寬度為800 mm,下翼緣寬度為2 250 mm,腹板處設置縱、豎向加勁肋。下翼緣設置縱向加勁肋,槽型梁與橋面板混凝土采用焊釘連接,槽型梁內設置框架式橫隔板以減輕恒載自重,橫梁高度為1 500 mm,橫梁與橫隔板5 000 mm設置一道。槽型梁及加勁肋采用Q345qD,彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.31,容重為78.5 kN/m3,計算時考慮1.5%的焊縫重量。橋面板混凝土采用C50,彈性模量為3.45×104MPa,泊松比為0.21,容重為26 kN/m3。橋面鋪裝設置100 mm厚的瀝青混凝土,容重24 kN/m3。護欄按SS級防撞等級設計,單側荷載集度為12 kN/m。

2 結構縱向計算

槽型組合梁主要施工階段包括:鋼梁架設、吊裝預制橋面板并澆筑濕接縫和剪力槽、槽型組合梁形成聯合截面、完成橋面系施工并成橋。對于組合梁的整體建模一般采用雙層單元法和施工階段聯合截面法,其中施工階段聯合截面更符合實際施工過程并能準確考慮收縮徐變和溫度的影響。此處采用施工階段聯合截面法建模,橫向連接采用虛擬橫梁形式,所建立的縱向模型如圖3所示,全橋共140個節點、143個梁單元。

圖3 縱向分析有限元模型圖

2.1 施工階段分析

槽型梁鋼結構架設后,橋面板混凝土作為濕重時,結構應力較為不利,選取該階段為關注施工階段。由于恒載作用下結構對稱,取一片槽型梁進行分析,如圖4所示。

(a)上翼緣

(b)下翼緣

槽型組合梁形成聯合截面前,施工階段槽型梁上翼緣最大壓應力為125.4 MPa,下翼緣最大拉應力為99.4 MPa。形成聯合截面前,截面上翼緣受力不利,槽型梁所劃分的梁段區間基本滿足應力變化規律,施工階段應力水平相對較低。

為進一步分析永久作用下的結構應力,取橋面系已完成施工、收縮徐變基本完成后為關注階段,得到此階段槽型梁應力如圖5所示。

(a)上翼緣

(b)下翼緣

永久作用下,槽型梁上翼緣壓應力為168.1 MPa,下翼緣應力拉應力為133.6 MPa,較形成聯合截面前上翼緣和下翼緣應力分別增加42.7 MPa和34.2 MPa,上翼緣壓應力增加較多,應力水平明顯增大,應特別關注上翼緣與活載組合后的應力數值,確保滿足規范要求。

2.2 成橋階段分析

大跨徑鋼混組合梁活載效應占比較大,且隨跨徑的增加,活載占比也呈增加趨勢,因此對成橋階段基本組合進行分析十分必要。經活載橫向位置試算分析,當車道按偏載布置時結構驗算最為不利。考慮應急車道的同時作用,按活載三車道偏載與永久作用進行基本組合(其中永久作用系數為1.2,活載系數為1.4)[6],計算得到槽型梁應力如圖6所示。

(a)上翼緣

(b)下翼緣

計算結果表明:(1)活載偏載作用下槽型梁上翼緣壓應力為206.8 MPa,下翼緣拉應力為220.8 MPa,拉壓應力水平均較高,上翼緣與橋面板混凝土連接,不存在壓屈穩定問題;(2)考慮活載基本組合后,成橋階段壓應力數值低于拉應力數值,活載使下翼緣拉應力增加87.2 MPa,活載效應增加明顯。考慮結構重要性系數1.1后,最大應力為242.9 MPa,低于《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》(JTG/T D64-01-2015)承載力270 MPa限值[7]。

3 橋面板橫向計算

3.1 活載分布寬度

橋面板為鋼筋混凝土結構,橫向最大跨徑為5.35 m,橋面板橫向受力呈現典型單向板特征,計算時,縱向長度取單位長度1 m進行分析,局部加載采用車輛荷載。平行于橋面板跨徑方向的活載分布寬度為0.8 m,垂直于橋面板跨徑方向的活載分布寬度按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)進行計算[8],考慮前后排車輪(輪距為1.4 mm)對分布寬度的疊加影響,計算結果如圖7所示。

圖7 垂直橋面板跨徑方向分布寬度示意圖(mm)

3.2 橫向計算結果

根據活載分布寬度計算結果,利用有限元數值模擬軟件,建立橫向分析模型,如圖8所示,共33個節點、32個梁單元。橫向分析時鋼筋混凝土構件考慮鋼筋作用,本次設計在橋面板頂緣以下和底緣以上4 cm處分別配置公稱直徑為20 mm和16 mm的橫向主筋,縱向間距均為120 mm,主筋型號為HRB400。分別得到承載能力極限狀態下抗彎承載能力和正常使用狀態下裂縫寬度計算結果如圖9和圖10所示,其中γ為結構重要性系數,Mu,max、Mu,min、Mn,max和Mn,min分別為截面抗彎設計值最大值、抗彎設計值最小值、抗彎容許值最大值和抗彎容許值最小值,模型單元連續編號,橫坐標取單元編號的J端。

圖8 橫向分析有限元模型圖

圖9 抗彎承載能力計算結果曲線圖

圖10 裂縫寬度計算結果曲線圖

橋面板中跨跨中和中支點(槽型梁靠近中跨上翼緣與橋面板連接處)截面抗彎承載力安全富裕度基本相當,分別為2.1和1.7。中跨跨中截面底緣裂縫寬度為0.074 mm,中支點截面頂緣裂縫寬度為0.095 mm,均小于規范限值0.2 mm。以上結果表明橋面板配筋合理可行,中跨跨中和剪力鍵處的橋面板厚度選取得當,整體材料較為經濟。

4 結語

本文以某高速公路50 m跨徑槽型組合梁為研究對象,基于有限元數值模擬軟件,分別建立了縱、橫向分析模型,主要結論如下:

(1)槽型梁施工階段上翼緣應力較為不利,當考慮活載后,下翼緣應力增加較快,但整體而言,上、下翼緣在成橋狀態下應力水平均較高。當跨徑較大時,應對槽型梁縱向劃分多個梁段,必要時跨中梁段可選取高強度等級的鋼材。

(2)橋面板混凝土呈現多點彈性支承連續梁受力特征,由于中跨跨徑相對較大,靠近中跨的剪力鍵處截面負彎矩較為不利。結構設計時應結合橋面板承載能力和裂縫寬度計算結果確定不同位置的橋面板厚度和鋼筋型號。