劉杰

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510060)

波形鋼腹板PC箱梁橋設(shè)計(jì)方法與受力性能研究

劉杰

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510060)

北江四橋南北引橋采用波形鋼腹板組合箱梁橋，該種橋梁具有外形美觀、工程總造價(jià)低、抗震性能好、預(yù)應(yīng)力施加效率高、腹板抗剪能力和結(jié)構(gòu)耐久性好、后期張拉換索簡(jiǎn)單易行等優(yōu)點(diǎn)。基于50 m跨徑建立有限元模型,得到全橋縱向內(nèi)力分布情況。結(jié)果表明，各種工況下結(jié)構(gòu)整體受力及屈曲穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

波形鋼腹板；屈曲穩(wěn)定；剪力連接件；有限元分析

0 引言

波形鋼腹板箱梁橋源于法國(guó)，近年來在中國(guó)得到了深入的研究與廣泛的應(yīng)用，它是以波形鋼板代替混凝土作為箱梁的腹板并采用體外預(yù)應(yīng)力的新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)［1-2］。與傳統(tǒng)的混凝土腹板箱梁相比, 波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁自重較輕，可以提高預(yù)應(yīng)力的效率和減少預(yù)應(yīng)力鋼材用量,波紋鋼腹板對(duì)上、下緣混凝土的徐變、干燥收縮變形不起約束作用,體外預(yù)應(yīng)力束可以替換，對(duì)以后的維修加固也較方便。

本文針對(duì)北江四橋南北引橋設(shè)計(jì)與計(jì)算過程中的截面設(shè)計(jì)、波紋鋼腹板的受力及屈曲穩(wěn)定性、剪力連接鍵的設(shè)置以及主梁整體結(jié)構(gòu)受力分析等關(guān)鍵性問題進(jìn)行介紹,從而為今后波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供參考。

1 工程概況

北江四橋及南北引道工程位于清遠(yuǎn)市燕湖新城內(nèi)，線路規(guī)劃為一級(jí)公路，設(shè)計(jì)車速60 km/h。橋梁全長(zhǎng)1 452 m (含兩端引橋和主橋)，雙向6車道。其中主橋長(zhǎng)418 m，主橋?qū)?2 m；引橋長(zhǎng)1 034 m。橋跨布置為4×30 m+8×50 m+100 m+218 m+100 m +5×50 m +8×30 m。引橋30 m及50 m跨徑為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土波形鋼腹板組合箱梁橋。主梁為C50混凝土，鋼腹板采用Q345qd鋼材。截面形式見圖1所示。

圖1 橋梁的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：cm)

2 波形鋼腹板組合箱梁設(shè)計(jì)

波形鋼腹板組合箱梁橋的設(shè)計(jì)主要包括主梁設(shè)計(jì)、預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)、波形鋼腹板設(shè)計(jì)、抗剪連接件設(shè)計(jì)等。

2.1 主梁設(shè)計(jì)

引橋50 m跨徑上部單幅箱梁采用單箱三室斷面,箱梁頂寬19.25 m，箱梁底寬13.5 m，翼緣懸臂長(zhǎng)2.5 m，懸臂端板厚0.2 m，懸臂根部厚0.5 m。梁高2.8 m，箱梁頂板厚0.27 m，底板厚0. 25 m。由于橋梁較寬，需設(shè)橫隔板以增強(qiáng)抗扭剛度和橫向剛度，同時(shí)兼做體外束的轉(zhuǎn)向裝置。根據(jù)體外束轉(zhuǎn)向器的位置及結(jié)構(gòu)受力需要，在每跨各設(shè)置3道橫隔板。

2.2 鋼腹板設(shè)計(jì)

2.2.1 主梁波形鋼腹板構(gòu)造尺寸

箱梁腹板采用波形鋼腹板,鋼材類型為Q345qD,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為275 MPa、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為160 MPa。規(guī)范規(guī)定常用波形鋼腹板的形狀有3種,即1600型、1200型和1000型,波形鋼腹板的波形形狀包括波高、厚度、腹板傾斜角度等,除滿足力學(xué)要求外，還應(yīng)根據(jù)施工可行性、經(jīng)濟(jì)性、景觀性等各方面因素考慮。經(jīng)論證比較,該橋選用1600型，波長(zhǎng)為1 600 mm、波高為220 mm、斜板段水平長(zhǎng)度為430 mm, 鋼板厚度為16 mm，鋼板高度為1 880 mm。節(jié)段之間的鋼腹板連接距離節(jié)段劃分線外80 cm。波形鋼腹板構(gòu)造尺寸如下圖2所示：

圖2 1600型波形鋼腹板大樣圖(單位：mm)

2.2.2 波形鋼腹板局部屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算

局部屈曲是指波形鋼板在一個(gè)波幅內(nèi)的屈曲，其彈性局部屈曲臨界應(yīng)力可按下式計(jì)算［3］：

式中：k為剪切屈曲系數(shù);E為鋼材的彈性模量;v為鋼材的泊松比;hw為波形鋼腹板高度; tw為波形鋼腹板厚度。

局部屈曲臨界應(yīng)力應(yīng)滿足式(2)的要求∶

式中：τy=199.2 MPa。

根據(jù)式(1)，計(jì)算得本橋彈性局部屈曲臨界應(yīng)力為1 387 MPa，滿足式(2)設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 波形鋼腹板整體屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算

整體屈曲是指波形鋼板整體的屈曲，其彈性整體屈曲臨界應(yīng)力可按下式計(jì)算：

式中∶β為波形鋼腹板整體嵌固系數(shù)(偏安全取1.0); Ix為單位長(zhǎng)度繞波形鋼腹板順橋向中性軸的慣性矩; Iy為單位長(zhǎng)度對(duì)波形鋼腹板高度方向的慣性矩;

整體屈曲臨界應(yīng)力應(yīng)滿足式(4)的要求∶

根據(jù)(3)式，計(jì)算得本橋彈性整體屈曲臨界應(yīng)力為4 045.4 MPa，滿足(4)式設(shè)計(jì)要求。

2.2.4 波形鋼腹板合成屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算

合成屈曲是指波形鋼板局部屈曲與整體屈曲的復(fù)合形式，其屈曲臨界應(yīng)力可按下式計(jì)算：

合成屈曲臨界應(yīng)力應(yīng)滿足式(6)的要求∶

根據(jù)(5)式，計(jì)算得本橋復(fù)合屈曲臨界應(yīng)力為1 382.2 MPa，滿足(6)式設(shè)計(jì)要求。

2.3 預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)

2.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

波形鋼腹板箱梁橋梁的縱向預(yù)應(yīng)力筋分為體內(nèi)束和體外束,體內(nèi)束布置于頂?shù)装逵糜诔惺芎爿d。體外束用于承受車輛等可變活載。50 m標(biāo)準(zhǔn)跨在頂板布置8束體內(nèi)束,底板布置12束體內(nèi)束,頂?shù)装邃撌謩e由13及17股直徑為15.2 mm的鋼絞線組成,其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力為1 375 MPa?；炷翉?qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力束的張拉。該橋每跨共設(shè)12束體外束,體外束采用S6型環(huán)氧噴涂外包PE防護(hù)套的無(wú)黏結(jié)成品索。鋼束由15-19型的鋼絞線組成,其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力1 116 MPa，并采用配套的錨具。

2.3.2 減震器設(shè)置

體外索的錨固點(diǎn)與彎折點(diǎn)之間或者兩個(gè)彎折點(diǎn)之間的自由段長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng),否則宜設(shè)置防震動(dòng)裝置,以避免微震磨損［4］。規(guī)范規(guī)定，除非震動(dòng)分析許可,體外預(yù)應(yīng)力束的自由段長(zhǎng)度不應(yīng)超過8 m，超過時(shí)應(yīng)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋的減震裝置。

2.3.3 轉(zhuǎn)向裝置

該橋結(jié)合構(gòu)造要求，將橫隔板與轉(zhuǎn)向塊作為一體，體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置是體外索在跨徑內(nèi)唯一與混凝土體有聯(lián)系的構(gòu)件,體外索轉(zhuǎn)向器的彎曲半徑,就鋼絞線的受力而言越大越好, 但彎曲半徑設(shè)定過大,彎向部的尺寸就變大,從而會(huì)增加橋梁自重,因此在確保安全的情況下, 轉(zhuǎn)向器的彎曲半徑要盡量做小。

2.4 抗剪連接件設(shè)計(jì)

波形鋼腹板與混凝土頂板和底板的連接方式有埋入式連接、角鋼剪力鍵連接、雙PBL鍵連接和單PBL加栓釘鍵連接。該橋采用單PBL和栓釘鍵連接。開孔鋼板及翼緣板厚16 mm,貫穿孔直徑為60 mm,間距150 mm,貫穿鋼筋采用直徑為25 mm的HRB400鋼筋,連接件的開孔鋼板的高度為160 mm,焊釘連接件的焊釘采用M19的普通焊釘,焊釘高150 mm。波形鋼腹板上下翼緣及PBL開孔鋼板連接件每隔2個(gè)波長(zhǎng)處截?cái)嗖贾?，以減少由翼緣板引起的預(yù)應(yīng)力損失。

3 主梁整體受力性能分析

3.1 有限元計(jì)算方法及模型

該文采用橋梁專業(yè)軟件進(jìn)行橋梁整體受力計(jì)算,計(jì)算時(shí)按以下假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，即：(1)波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装骞餐ぷ鳎粫?huì)發(fā)生相對(duì)滑移或剪切連接破壞；(2)波形鋼腹板不受軸力，彎矩僅由混凝土頂?shù)装鍢?gòu)成的斷面承擔(dān)；(3)箱梁縱向彎曲時(shí)符合平截面假定；(4)剪力由波形鋼腹板承擔(dān)且剪應(yīng)力均勻分布。全橋共劃分為53個(gè)單元，54個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 橋梁的有限元模型

3.2 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)中采用的作用及作用效應(yīng)組合應(yīng)符合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)或《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11-2011)中的規(guī)定。其縱、橫向應(yīng)根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)的規(guī)定進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。在計(jì)算中體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)規(guī)定采用。作為抗拉鋼筋進(jìn)行截面抗力計(jì)算時(shí)，體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的極限應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)取其有效預(yù)應(yīng)力值增加100 MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在承載能力極限狀態(tài)基本組合下，內(nèi)力包絡(luò)圖如4圖所示。

圖4 承載能力組合下的彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)

經(jīng)計(jì)算跨中抗彎承載力為199 799 kN·m，墩頂處抗彎承載力為118 406 kN·m，結(jié)果表明正截面在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下受力滿足要求。

計(jì)算截面偏安全取支座處，其剪力值為18 543 kN，該處波形鋼腹板波的斷面面積為120 320 mm2，則波形鋼腹板的彎曲剪應(yīng)力為154.1 MPa，小于屈服應(yīng)力200 MPa，見圖5，滿足規(guī)范要求。

3.3 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

圖5 承載能力組合下的剪力包絡(luò)圖(單位:kN)

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合橋梁正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中采用的作用效應(yīng)組合應(yīng)符合長(zhǎng)期組合及短期組合。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在長(zhǎng)期組合作用下，截面最小壓應(yīng)力為1.0 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，在標(biāo)準(zhǔn)組合下，最大壓應(yīng)力為15.7 MPa，見圖6和圖7滿足規(guī)范要求。

圖6 長(zhǎng)期荷載組合下的截面正應(yīng)力值(單位：MPa)

圖7 標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下的截面正應(yīng)力值(單位：MPa)

4 結(jié)論

波形鋼腹板組合橋梁較一般預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有造型美觀、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，降低了下部結(jié)構(gòu)及工程總費(fèi)用。通過對(duì)北江四橋引橋50 m波形鋼腹板組合箱梁進(jìn)行設(shè)計(jì)與受力分析可知，該橋整體計(jì)算在各種組合工況下均滿足受力要求。波形鋼腹板在設(shè)計(jì)荷載下剪應(yīng)力及各種屈曲穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］ 陳宜言. 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計(jì)與施工 ［M］. 北京∶人民交通出版社, 2009.

［2］ 李淑琴，萬(wàn)水，張長(zhǎng)青.波形鋼腹板設(shè)計(jì)與制造［M］. 北京∶人民交通出版社, 2011.

［3］ DB 41/T 643-2010，公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 吳繼峰，湯意.衛(wèi)河大橋波形鋼腹板箱梁的設(shè)計(jì)［J］.公路，2010 (1)：57-61.

U442.5

B

1009-7716(2015)08-0040-03

2015-03-31

劉杰(1981-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，工程師，從事市政工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。