作者簡介:楊千里(1985—),工程師,主要從事路橋施工工作。
文章以某高速公路40 m跨簡支槽型鋼組合梁為研究對象,對結(jié)構(gòu)設(shè)計情況進(jìn)行了闡述,借助Midas Civil有限元軟件,基于梁格法對槽型鋼梁縱向受力進(jìn)行了計算分析,考慮活載分布寬度,得到了鋼筋混凝土橋面板裂縫寬度。分析表明,該設(shè)計的槽型組合梁受力較好,滿足使用要求。
簡支槽型鋼組合梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計;縱向受力;橫向受力
U448.21+6A471673
0?引言
公路交通網(wǎng)是實現(xiàn)城鎮(zhèn)互通互聯(lián)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在公路建設(shè)中,橋梁占據(jù)重要而不可替代的位置。除小半徑互通匝道外,公路橋梁大多采用常規(guī)跨徑裝配式小箱梁和T梁形式,跨徑大多取25 m、30 m和40 m,此類橋梁結(jié)構(gòu)形式簡單,施工工藝成熟,因此在過去的幾十年里得到了極大的推廣應(yīng)用。近年來,減碳、降耗理念首先在建筑業(yè)進(jìn)行了一定規(guī)模的推廣,而后,公路交通行業(yè)也掀起了一場工業(yè)化浪潮。對于沿海平原地區(qū),機(jī)械化程度高,樁基已嘗試采用預(yù)制管樁,預(yù)制墩柱和節(jié)段梁也進(jìn)行了實踐與嘗試,并形成了成熟完備的施工工藝。對于中小跨徑橋梁而言,國內(nèi)設(shè)計單位和研究院所開展了鋼板組合梁和鋼箱組合梁的相關(guān)研究[1-2],形成了典型路幅寬度下的標(biāo)準(zhǔn)圖集,使鋼混組合結(jié)構(gòu)在目前公路交通行業(yè)中占據(jù)重要地位。近年來,鋼混組合橋梁設(shè)計、施工和運(yùn)維管養(yǎng)等仍是橋梁研究的重要課題。
槽型組合梁由開槽的鋼箱梁與橋面板通過焊釘連接鍵組成,與鋼板組合梁相比,抗扭性能較好,可適用于彎橋,與鋼箱組合梁相比,節(jié)約了鋼材用量,結(jié)構(gòu)輕盈,考慮到鋼材受拉性能好,混凝土受壓承載力高的優(yōu)勢,槽型組合梁更加適用于常規(guī)跨徑簡支橋梁中。陳卓異等將波形鋼腹板代替混凝土腹板,基于模型試驗研究了槽型組合梁的破壞特征[3];郭智磊從節(jié)段劃分、施工安裝角度分析了鋼箱組合梁的優(yōu)勢[4];萬淑敏等基于Midas Civil軟件建立了50 m跨簡支鋼箱組合梁受力模型,重點分析了臨時支架對施工過程受力的影響[5]。由于槽型組合梁結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)較晚,目前對于鋼混組合梁相對缺少對槽型組合梁設(shè)計和受力方面的研究。基于此,參考鋼箱組合梁研究思路,本文選取適用性較強(qiáng)的40 m跨簡支槽型組合梁為研究對象,介紹了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計情況,分別考慮縱橫向受力特點對鋼槽型梁和混凝土兩種材料進(jìn)行了驗算分析,為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。
1?工程背景
某高速公路止點段連接城市重要節(jié)點,受橋下空間利用的影響,入城段盡量少墩,上部結(jié)構(gòu)輕盈美觀。在混凝土橋、鋼橋和鋼混組合橋三者方案比選過程中,擬采用能兼顧梁高和施工工期因素的槽型組合梁方案。橋梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:設(shè)計速度為120 km/h;雙向八車道,橋?qū)?7.75 m;地震動加速度為0.05 g;主梁采用分離式槽型組合梁設(shè)計,橋面荷載采用公路-Ⅰ級。支點和跨中橫斷面分別如圖1和圖2所示,梁高為2 200 mm,鋼梁高度為1 800 mm,鋼筋混凝土板厚度為400 mm。
設(shè)計時,為適應(yīng)主梁受彎和受剪需要,將40 m跨槽型組合梁劃分為5個梁段,包含兩個梁段A,長度均為4 500 mm,兩個梁段B,長度均為9 000 mm,1個梁段C,長度為12 900 mm,梁段內(nèi)布設(shè)框架橫隔板,間距為5 000 mm。如圖3所示。
槽型鋼梁鋼材均采用Q345qD,不同梁段槽型鋼梁上下翼緣和腹板厚度按照不同參數(shù)取值,適應(yīng)受力需求。板厚變化見表1。
2?有限元模型
2.1?縱向分析有限元模型
有限元模擬時需要考慮鋼混組合結(jié)構(gòu)的施工過程,上部結(jié)構(gòu)施工過程主要分為5步:(1)槽型鋼梁安裝;(2)澆筑橋面板混凝土;(3)橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度,與槽型梁形成共同受力的聯(lián)合截面;(4)二期鋪裝施工;(5)收縮徐變。槽型鋼梁橫向通過高度為500 mm的焊接工字鋼相連接,采用施工階段聯(lián)合截面,按照不同施工順序分別激活槽型鋼單元和橋面板混凝土單元,橫向按照梁格法[6]建立虛擬橋面板混凝土單元,確保橫向傳力的需要??蚣軝M隔板按照節(jié)點荷載考慮,焊縫重量按照1.5%的槽型鋼梁自重系數(shù)進(jìn)行考慮?;贛idas Civil軟件,所建立的縱向分析有限元模型如圖4所示。
2.2?橫向分析有限元模型
根據(jù)縱橫向跨度大小,橋面板混凝土為單向板,在活載作用下,荷載主要沿橫向進(jìn)行分配。橋面板瀝青混凝土鋪裝層厚度為10 cm,計算得到平行于板跨徑方向的荷載分布寬度為0.8 m,垂直于板跨徑方向的荷載分布寬度按照規(guī)范進(jìn)行計算取值[7],取橋面板有限元模型縱向長度為1 m,單輪加載輪載為70 kN,縱向分析有限元模型如圖5所示。其中,單元按從左到右進(jìn)行編號,共計38個單元。
3?縱橫向計算分析
3.1?縱向計算分析
考慮施工過程最不利受力狀態(tài),即橋面板混凝土作為外荷載不參與結(jié)構(gòu)受力階段,混凝土濕重容重取26 kN/m3。槽型鋼梁應(yīng)力云圖如圖6所示,上、下翼緣應(yīng)力最大值分別為-109.4 MPa(壓)和107.0 MPa(拉),最大值均位于跨中截面位置。整體而言,截面應(yīng)力分布與彎矩分布相符合,梁段劃分符合應(yīng)力變化規(guī)律。
為分析成橋后槽型鋼梁持久狀況下的承載能力,取基本組合(1.2恒載+1.4偏載+1.05梯度溫度)為加載工況,活載按照4車道偏載進(jìn)行布置,此時邊梁截面應(yīng)力處于不利狀態(tài)。計算得到成橋后的基本組合下槽型鋼邊梁應(yīng)力云圖如圖7所示,基本組合下,上下翼緣最大應(yīng)力為-180.7 MPa(壓)和237.8 MPa(拉),考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1后,應(yīng)力最大值為261.6 MPa,其數(shù)值接近《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64-2015)強(qiáng)度設(shè)計值270 MPa限制要求[8]。從施工階段到成橋階段而言,考慮組合系數(shù)及活載作用后,應(yīng)力增幅明顯。經(jīng)分析,對于槽型鋼邊梁跨中截面下翼緣而言,在基本組合荷載成分中,活載占比為28.8%,因此大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)活載效應(yīng)的分析。
3.2?橫向計算分析
將橫向分析有限元模型中槽型鋼上翼緣與橋面板混凝土接觸部分進(jìn)行固結(jié)約束。橫向受力主筋直徑截面上層取20 mm,截面下層取16 mm,強(qiáng)度等級為HRB400,橫向間距為12 cm??紤]荷載縱橫向分布寬度,對橋面板鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行持久狀況下的承載能力和裂縫寬度進(jìn)行驗算分析。計算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。
結(jié)果表明:(1)抗彎最不利截面位于邊支點負(fù)彎矩處,即槽型鋼邊梁上翼緣與橋面板混凝土連接處,最大負(fù)彎矩組合值為-139.8 kN·m,小于彎矩抵抗值-265.4 kN·m。此外,最大正彎矩組合值為38.7 kN·m,小于彎矩抵抗值95.6 kN·m,抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.9,橋面板抗彎承載能力較好,滿足規(guī)范要求;(2)橋面板混凝土裂縫寬度最大值受負(fù)彎矩控制,出現(xiàn)在截面頂緣位置,最大值為0.084 mm,小于規(guī)范0.2 mm限值要求??缰凶畲笳龔澗匾鸬牧芽p寬度為0.047 mm,根據(jù)裂縫寬度計算結(jié)果及分布規(guī)律,分離式槽型鋼組合梁橋面板混凝土在進(jìn)行橫向配筋時,截面頂緣處的鋼筋規(guī)格應(yīng)大于底緣,確保裂縫寬度滿足要求。
經(jīng)試算分析,鋼筋規(guī)格配置對裂縫寬度的影響比抗彎承載能力更敏感。由于橋面板混凝土設(shè)計受負(fù)彎矩控制,此處在截面頂緣配置直徑為20 mm的主筋的基礎(chǔ)上,保持底緣鋼筋和間距不變,進(jìn)一步對比分析直徑分別為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、25 mm和28 mm的主筋對裂縫寬度的影響,如圖10所示。
根據(jù)以上計算結(jié)果,當(dāng)橋面板混凝土截面頂緣鋼筋直徑<20 mm時,負(fù)彎矩區(qū)裂縫寬度將>0.1 mm。負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂形成受力裂縫后會威脅行車安全,可能導(dǎo)致槽型梁箱內(nèi)出現(xiàn)銹蝕,影響結(jié)構(gòu)耐久性。對于鋼筋混凝土橋面板構(gòu)件而言,應(yīng)嚴(yán)格控制槽型組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫寬度,建議≤0.1 mm,便于后期橋梁的管養(yǎng)維護(hù)。
4?結(jié)語
本文以某高速公路40 m跨簡支槽型鋼組合梁為研究對象,基于Midas Civil軟件進(jìn)行了縱橫向受力數(shù)值模擬分析,得出主要結(jié)論如下:
(1)將槽型鋼梁根據(jù)受力需要劃分成5個不同板厚參數(shù)的縱向梁段,經(jīng)縱向受力分析,成橋狀態(tài)下承載能力小于規(guī)范限值,槽型鋼梁幾何尺寸設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理。
(2)經(jīng)橫向受力分析,分離式槽型組合梁鋼筋混凝土橋面板承載能力和裂縫寬度均受鋼-混連接處負(fù)彎矩區(qū)控制。在本文所選取的槽型組合梁結(jié)構(gòu)尺寸條件下,橋面板橫向應(yīng)按照雙筋截面進(jìn)行配筋,建議截面頂緣處鋼筋直徑應(yīng)≥20 mm。
參考文獻(xiàn)
[1]劉永健,高詣民,周緒紅,等.中小跨徑鋼-混凝土組合梁橋技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J].中國公路學(xué)報,2017,30(3):1-13.
[2]余?宏.廣州市花蕾路新型鋼結(jié)構(gòu)槽型梁人行天橋設(shè)計與分析[J].城市道橋與防洪,2019(7):105-107,121,15.
[3]陳卓異,黃?僑,李傳習(xí),等.波形鋼腹板組合槽型梁靜載試驗與有效預(yù)應(yīng)力分析[J].土木工程學(xué)報,2018,51(8):60-70.
[4]郭智磊.分離式鋼箱組合梁安裝施工技術(shù)研究[J].交通科技與管理,2023,4(7):72-74.
[5]萬淑敏,張守龍,劉?彬,等. 50 m簡支鋼-混組合梁的設(shè)計及受力分析[J].工程建設(shè),2021,53(2):34-38.
[6]錢?進(jìn),梁振隆.鋼混組合梁結(jié)構(gòu)有限元計算方法研究[J].湖南交通科技,2022,48(2):81-84,117.
[7]JTG 3362-2018,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].
[8]JTG D64-2015,公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[S].