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(tǒng)混凝土,是一種更加經(jīng)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(shù)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(guī)范[6-8]并依托原橋型為預應力混凝土連續(xù)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(tài)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(fā)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(yōu)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(yōu)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(zhì)與抗剪,在減小結構自重方面有更大的優(yōu)勢。

(2) 波形結構不僅提高了預應力的施加效率,也避免產(chǎn)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(xù)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(xiàn)澆段采用托架現(xiàn)澆施工。

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

2.1 尺寸參數(shù)

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(xiàn)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(nèi)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(diào)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(nèi)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(jù)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(xù)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(jù)結構特點,將結構劃分為1 051個節(jié)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(tài)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(tài)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(tài)主梁彎矩包絡圖

由圖5可知,承載能力極限狀態(tài)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(nèi),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(tài)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(chǎn)生的剪應力設計值;τtd為扭矩產(chǎn)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(tài)下波形鋼腹板抗剪強度驗算結果及剪切穩(wěn)定性驗算結果如圖6和圖7所示。

圖6 承載能力極限狀態(tài)下波形鋼腹板剪應力強度驗算

圖7 承載能力極限狀態(tài)下波形鋼腹板剪切穩(wěn)定性驗算

由圖6可知,承載能力極限狀態(tài)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(tài)波形鋼腹板局部屈曲安全系數(shù)、整體屈曲安全系數(shù)、組合屈曲安全系數(shù)均大于1,滿足腹板剪切穩(wěn)定性驗算要求。

4.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)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(chǎn)生的預壓應力。

持久狀況正常使用極限狀態(tài)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(tài)作用頻遇組合下均不產(chǎn)生拉應力,滿足混凝土抗裂驗算。

4.2.2 撓度驗算

依據(jù)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(chǎn)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?shù)装寤炷翂簯︱炈?/p>

使用階段受壓區(qū)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(jù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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?shù)装寤炷翍︱炈?/p>

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(xiàn)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(yōu)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(tài)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。