超寬幅預應力混凝土現澆梁設計

王 斐

上海市政工程設計研究總院集團新疆有限公司,新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

在市政高架橋工程中,由于某些實際需求,會出現工程界并不推薦的超寬幅預應力混凝土現澆梁結構。該種結構受力復雜,計算過程中限制較多,如何快速且較為精準地設計該種類型的市政橋梁是橋梁設計工作者必須面對的問題。

在實際設計工作中,橋梁博士和midas Civil是橋梁工程師常用的2種計算軟件,前者只能建立桿系模型,后者可以建立空間梁格模型。橋梁博士有著建模迅速、計算結果直觀、修改參數方便等優點,在市政橋梁快速高效的設計工作中有著絕對優勢。midas Civil的梁格模型,建模復雜,計算結果準確但不直觀,模型調整對設計人員的經驗要求高,設計過程繁瑣。

由于工程進度原因,本文的工程案例先采用橋梁博士軟件進行設計,后期采用midas Civil梁格模型進行校對,通過不同軟件的計算來驗證設計結果的準確性,驗證橋梁博士軟件在合理的假設條件下計算超寬幅預應力混凝土現澆梁的可行性。

1 工程概況

烏魯木齊機場改擴建工程T4航站樓配套交通樞紐,橋梁方面主要為循環道路高架。為滿足機場未來運營交通通暢,高架系統按雙層逆時針環航站樓布置,橋寬種類多。在此背景下,選取航站樓入口與高架相交處梁段(該段為落客平臺,橋寬41.5 m)為研究對象,對寬幅箱梁的布置和結構進行設計。

2 橋型選擇

寬幅橋通常采用分幅設計和整幅設計2種情況。為使地面道路得到充分使用,落客平臺下部采用間距為23.25 m雙立柱結構,落客平臺范圍內高架均采取整幅設計[1]。綜合考慮到機場高架樞紐線型復雜、梁寬多變、美觀要求等因素,上部構造選擇美觀性較強的斜腹板預應力砼大箱梁。

3 結構設計

3.1 箱梁構造設計

落客平臺上設置與航站樓相配套的雨棚,本文選取雨棚荷載最大的一聯橋(直線,跨徑為2 m×30 m)為例,詳述結構設計。箱梁平面布置及車道分布見圖1,梁格模型及雨棚立柱位置見圖2。

單位：m

單位：kN

截面為單箱八室,箱梁高1.8 m,梁頂寬41.35 m,梁底寬33.35 m,兩側挑臂長3.5 m,中橫梁處局部加高至2.2 m。雨棚立柱位于道路設計中心線上,雨棚立柱處箱梁內部設置雨棚橫隔板,橫隔板連接相鄰四道中腹板,箱梁采用C50高性能混凝土澆筑。

3.2 箱梁計算

本文計算箱梁過寬、活荷載橫向分布不均勻且縱向有不均勻集中荷載(雨棚荷載)。設計前期采用橋梁博士進行主梁縱向計算和橫梁計算,用計算結果完成設計;后期采用midas Civil建立梁格模型進行縱向計算,復核設計的準確性。

3.2.1 橋梁博士縱向計算

結構總體靜力計算采用橋梁博士3.5.0計算軟件建立梁單元模型。截面抗裂驗算按預應力混凝土A類構件控制,分析時根據施工工序劃分為4個施工階段：成橋、張拉預應力、二期恒載、收縮徐變。車輛荷載選用城A級,人群荷載集度為3 kN/m2。根據以往工作經驗以及查閱一些相關文獻,偏載系數保守取值為1.26[2]。為簡化計算,將雨棚荷載中的恒載和活載等效成恒載以豎向集中力的形式加載于成橋階段。圖2中沿墩號前進方向,雨棚等效荷載大小分別為1 500、1 500、1 800 kN。

該橋的實際情況如下。①橋梁寬度較大,汽車荷載、人群荷載、雨棚荷載橫向分布不均勻,這些外荷載并不能被9道腹板均勻承擔。②理想狀態下,通過雨棚橫隔板雨棚荷載被緊鄰的4道腹板均勻承擔。③實際工程中,箱梁頂、底板具有一定橫向剛度,會將雨棚荷載以及其它外載不均勻地傳遞到每一道腹板上。④橋梁博士的計算結果無法顯示橫截面橫向應力不均勻的情況。

綜合以上因素,本次橋梁博士計算人為地分成4種假設情況：對比組,無雨棚荷載;為計算橫梁提供縱向荷載數據,雨棚荷載按等效荷載加載;為計算最不利情況,雨棚等效荷載擴大2.25倍加載(4×2.25=9);考慮到橫向活載分布的不均勻以及頂底板力的傳遞作用,結合第2種假設情況的計算結果,將雨棚等效荷載擴大1.5倍加載,以此來彌補橋梁博士計算中個別腹板實際內力大于理論計算值的情況。經過計算并按照JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》進行荷載組合以及強度、撓度驗算,將結果與JTG 3362—2015《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》相應條文對比[3],4組計算結果(見表1),具體分析如下。

表1 橋梁博士主要縱向計算結果 (應力及彎矩)

3.2.1.1 無雨棚荷載

鋼束布置：腹板鋼束均為12-?s15.2,頂板鋼束均為9-?s15.2,底板鋼束均為7-?s15.2。由計算結果可以看出,在無雨棚荷載情況下,縱向主梁各截面正截面在各種荷載組合下混凝土應力和抗彎承載力均滿足規范要求,此種情況的配束方案過于保守[4]。

3.2.1.2 雨棚荷載按1.0倍等效荷載加載

鋼束布置同對比組。由計算結果可以看出,雨棚荷載對計算結果影響較為明顯。該組計算主要是為計算橫梁提供數據,其余情況不再分析。

3.2.1.3 雨棚荷載按2.25倍等效荷載加載

鋼束布置：腹板鋼束均為15-?s15.2,頂底板鋼束布置同對比組。為了計算出和雨棚橫隔板相連的4道腹板理想情況下的工作應力,將雨棚荷載按2.25倍等效荷載加載。計算結果同組1對比,在雨棚等效荷載的作用下在中支點處主拉應力增加了40.2%,跨中主壓應力幾乎不變,中支點主壓應力降低了4.8%;雨棚等效荷載作用下第1跨跨中產生的彎矩增大7.6%,中支點處負彎矩增大17.3%,腹板鋼束加粗使跨中抵抗彎矩增大11.6%,中支點抵抗彎矩增大7.6%。從對比數據可以看出,腹板鋼束加粗對抵抗彎矩的增長有明顯效果,由于雨棚荷載的增加導致中支點剪力增大,主拉應力增大,致使中支點成為應力控制截面。從整體效果看,在滿足規范要求的情況下,腹板鋼束的增加量和雨棚荷載產生的效應能較好地相互抵消,此種配束方案較為合理。

3.2.1.4 雨棚荷載按1.5倍等效荷載加載

鋼束布置同對比組。計算結果同組1對比,從應力可以看出,雨棚荷載的增加對正應力與主壓應力影響不大,對主拉應力影響較大;從抵抗彎矩中可以看出,在1.5倍等效荷載加載的情況下,此種配束方式比較合理,抵抗彎矩可以較好地包絡住設計彎矩。

由計算結果可知,4組計算中各鋼束的最大使用應力和持久狀況正常使用極限狀態撓度均符合規范要求。

3.2.2 midas Civil縱向計算

采用梁單元建立空間梁格模型,設置9道縱向主梁,虛擬橫梁間隔2 m,雨棚橫隔板按實際尺寸與位置建立。鋼束布置：雨棚相關腹板(主梁4～7,編號由下向上排列)鋼束為15-?s15.2,其余腹板鋼束為12-?s15.2,頂板鋼束均為9-?s15.2,底板鋼束均為7-?s15.2,未加橫梁鋼束。恒載及活載均按照實際位置加載,材料及活載取值情況與橋梁博士一致(車道荷載沒有乘偏載系數)。經過計算并按照JTG D60—2015,公路橋涵設計通用規范進行荷載組合,計算結果及分析如下。

梁格模型只對橋梁縱向進行分析,表2～3中記載了主要計算結果。從表2中主拉應力可以看出,midas Civil計算出的主拉應力與橋梁博士的結果有很大不同,在剪力極大的地方主拉應力會超過規范要求,其他位置均滿足規范要求。從主壓應力數據可以看出,主梁4～7的主壓應力明顯大于其他主梁,9道主梁計算結果均滿足規范要求。將表2中剪力數據經過簡單的計算(截面左側剪力之和減去截面右側剪力之和)可以得出結論：雨棚荷載被主梁4～7完全承擔,這完全符合設計雨棚橫隔板的假設;由其他腹板上的剪力數據可以得出,頂底板剛度相對于腹板剛度過于薄弱,在雨棚集中荷載的情況下產生反向翹曲,使其余5道腹板中產生的剪力為負[5]。由表3可知,此配束方案對于主梁4～7較為合理,對于其他主梁稍顯保守。

由表3數據可以看出,因為midas Civil模型的結果并不是同一工況下,所以2種模型的計算結果有一定的出入,但能證明各種荷載會由相近主梁承擔,在此不做深入探討。由表3數據可以得出以下結論。

1)恒荷載彎矩：僅在恒載作用下,單箱多室現澆梁臨近支座的腹板會承擔較大的荷載。

2)雨棚截面荷載剪力：雨棚荷載主要由主梁4～7承擔。

3)汽車荷載彎矩和人群荷載彎矩：僅有活載的情況下,挑臂上的活荷載主要由邊腹板承擔。

4)由所有外荷載數據可以看出,主梁內力的分布與外載的橫向分布是一致的,這與橋梁博士計算的假設一致,又根據表2的數據可知,橋梁博士的4種假設及計算的數據是合理的。

4 結論

綜合對比橋梁博士與midas Civil的計算結果得出以下結論。

1)由于活載橫向分布不均勻,致使2種模型計算結果有一定的差異,但是差異性不大,計算結果均滿足規范要求。

2) midas Civil梁格模型驗證了該橋梁設計結果的準確性,證明了橋梁博士軟件在合理的假設條件下計算超寬幅預應力混凝土現澆梁是安全可靠的。