型鋼混凝土框架橋頂板厚度及含鋼率對頂板設(shè)計的影響

馬冬冬，李家穩(wěn)，吳鳳嬌

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

頂進(jìn)框架橋作為改造鐵路與公路平交道口的一種結(jié)構(gòu)形式，相對于上跨鐵路立交橋而言，在施工難度、工程造價等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，往往為城市建設(shè)者的首選［1］。雖然在建或者已建成的框架橋幾乎全都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但由于框架橋本身自重較大，頂進(jìn)施工十分不便，施工過程中路基塌方、路基隆起、頂進(jìn)線路偏移等問題時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿M(jìn)行。

型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete，SRC)綜合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)特性，具有承載能力高、結(jié)構(gòu)剛度大、截面尺寸小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在建筑結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用［2］。然而在框架橋中，型鋼混凝土的應(yīng)用鮮有研究，鐵路橋涵的相關(guān)規(guī)范中對型鋼結(jié)構(gòu)也很少涉及。如能將型鋼混凝土結(jié)構(gòu)引入到大跨度框架橋中，充分發(fā)揮型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，則將大大減少結(jié)構(gòu)自重，從而降低施工難度，節(jié)約施工成本。

因?yàn)樾弯摶炷亮旱某休d優(yōu)勢是隨著跨度的增加而體現(xiàn)得更加明顯，故本文選取以大跨度(≥16 m)框架橋?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^借鑒鋼筋混凝土框架橋的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，擬定型鋼混凝土框架橋頂板的截面尺寸，對不同頂板厚度及型鋼尺寸條件下的型鋼混凝土頂板承載能力進(jìn)行分析計算，研究型鋼混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于頂進(jìn)框架橋的可行性。

1 力學(xué)計算原理分析

鑒于目前型鋼混凝土框架橋幾乎沒有相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可供參考，故在選取頂板厚度時參考不同結(jié)構(gòu)形式橋梁的高跨比以及鋼筋混凝土框架橋截面尺寸，確定型鋼混凝土框架橋頂板厚度的合理范圍;通過計算比選出某一相對適合的厚度，研究不同含鋼率條件下的承載能力。通過對比分析給出在本模型下型鋼混凝土框架橋頂板的合理厚度及含鋼率。

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)8.2.1中規(guī)定，框架式結(jié)構(gòu)可以按框架截取單元計算［3］。考慮到型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，取0.5 m頂板寬度作為平面變形結(jié)構(gòu)計算。框架橋可以看作是支撐在彈性地基上的空間結(jié)構(gòu)，在僅分析頂板受力情況時，為簡化計算，將框架橋的墻體和頂板視為多跨單層剛架。即簡化成求解0.5 m板寬內(nèi)的單層剛架梁在荷載作用下的內(nèi)力值。以兩孔為例，其計算簡圖如圖1所示。

圖1 框架橋頂板力學(xué)分析計算圖式

2 有限元計算

原型框架橋工程為下穿某鐵路框架橋。采用兩孔連體式框架結(jié)構(gòu)，凈跨2-16 m，框架橋與所下穿兩條鐵路正交，兩鐵路線間距5 m。框架橋頂距離鐵路鋼軌底面0.80 m，頂板厚1.05 m，底板厚1.15 m，邊墻厚1.05 m，中墻厚1.00 m。

2.1 頂板截面尺寸的選擇

頂進(jìn)框架橋的頂板直接承受列車、軌道、路基等荷載作用，是橋體最主要的受力部分，而且根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，頂板的厚度也直接影響框架橋墻體和底板厚度的選取。所以，選擇合理的頂板厚度是框架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

在橋梁設(shè)計中，不同橋梁形式的高跨比是不一樣的，如表1所示。

表1 不同橋式的高跨比

對于連續(xù)剛構(gòu)橋來說，主梁一般采用箱形截面，箱梁根部截面高跨比一般為1/16～1/20，跨中截面梁高通常為支點(diǎn)截面梁高的1/2.5～1/3.5［4-5］。

根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，跨度為16 m的鋼筋混凝土框架橋，在普通列車荷載作用下，頂板厚度取值一般為1.0～1.1 m。若要體現(xiàn)型鋼混凝土框架橋的優(yōu)勢，參考混凝土簡支梁和連續(xù)梁的高跨比，在頂板厚度選擇時，高跨比取值范圍為1/16～1/25。則對于每孔凈跨16 m，頂板厚度的取值范圍為0.64～1.00 m。

根據(jù)頂板厚度的取值范圍，選取700，750，800，850，900 mm進(jìn)行研究分析，通過截面含鋼率、型鋼間距等變化比較各厚度頂板的截面承載力，選擇最合理的頂板厚度。

2.2 有限元模型計算

有限元模型采用Midas Civil建立。混凝土選用C35，型鋼種類采用 Q235［6］，鋼筋采用 HRB335。頂板采用梁單元，單元長度1 m。頂板截面形式及配筋如圖2所示。

圖2 頂板截面形式及配筋(單位:mm)

荷載除了自重、橋面鋪裝外，活載采用規(guī)范中的鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載，即“中—活載”，并根據(jù)規(guī)范附錄中換算均布活載加載。邊界條件均為固定端約束。

2.3 計算結(jié)果與分析

內(nèi)力、位移計算結(jié)果如表2所示。

表2 內(nèi)力及位移計算結(jié)果

根據(jù)表2計算結(jié)果可以看出，截面的厚度變化對其在荷載作用下產(chǎn)生的彎矩和剪力變化影響不大，而對豎向位移的變化影響很大。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)第5.2.1規(guī)定，連續(xù)鋼筋混凝土梁由于列車豎向靜活載所引起的豎向最大撓度不能超過L/800，本文參照框架橋，根據(jù)其跨度，豎向最大撓度值為20 mm。則根據(jù)表2，板厚為700 mm的型鋼混凝土梁，其撓度值已超過規(guī)范要求;而板厚為750 mm的型鋼混凝土梁，其撓度值也非常接近規(guī)范容許值。所以對于16 m跨徑的型鋼混凝土框架橋來說，頂板厚度不宜小于750 mm。

3 不同截面正截面受彎承載力計算

通過前述分析，雖然800，850，900 mm的頂板厚度滿足本模型下的型鋼混凝土框架橋的最大豎向撓度要求，尚需進(jìn)行正截面受彎驗(yàn)算。

3.1 計算理論

型鋼混凝土梁的受彎性能與鋼筋混凝土梁相比有很大差異。其受彎承載能力計算的基本假定:①梁變形后截面的平均應(yīng)變符合平截面假定，不計型鋼和混凝土之間相對滑移;②截面受拉區(qū)的拉力全部由型鋼和鋼筋承擔(dān)，不考慮受拉區(qū)混凝土的受力作用;③取受壓邊緣混凝土的極限壓應(yīng)變?yōu)?.003，最大壓應(yīng)力取混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，受壓區(qū)應(yīng)力圖簡化為等效矩形應(yīng)力圖;④型鋼腹板的應(yīng)力圖取拉、壓梯形應(yīng)力圖，計算時簡化為等效矩形應(yīng)力圖;⑤受拉鋼筋和型鋼受拉翼緣的極限拉應(yīng)變?nèi)?.01;⑥不考慮型鋼板件的局部屈曲。

計算時把型鋼翼緣作為縱向受力鋼筋考慮(圖3)，破壞時上、下翼緣達(dá)到屈服強(qiáng)度fa和。此時，型鋼腹板承受的彎矩為Maw，由平衡條件得基本方程［6］

圖3 正截面受彎承載力計算圖式

式中:符號除見圖3外，β1為等效受壓區(qū)高度與受壓區(qū)高度之比;ε為相對受壓區(qū)高度;tw為型鋼腹板厚度。

3.2 含鋼率相近時的計算

按照表2中型鋼混凝土框架橋截面尺寸和型鋼型號，計算正截面受彎承載力。計算結(jié)果見表3。

表3 正截面承載力計算

從表3可以看出，在型鋼和混凝土共同作用下，其截面承載力已經(jīng)遠(yuǎn)超出荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力值，而且隨著截面尺寸的加大，承載能力增加的趨勢也十分明顯。

綜合分析表2、表3，對于本模型所采用的跨徑下的型鋼混凝土，頂板厚度選擇以800～900 mm為宜。

3.3 含鋼率不同時的計算

不難看出，表3中截面配置的含鋼率顯然會造成截面承載能力過大，顯得不夠經(jīng)濟(jì)。為選擇合理型鋼含鋼率，在滿足型鋼混凝土構(gòu)造規(guī)范的前提下，針對800 mm×600 mm的截面尺寸選擇型鋼型號，以驗(yàn)證不同含鋼率時的截面承載力。截面縱向鋼筋為HRB335，直徑 20 mm;箍筋為 HPB300，直徑 10 mm。計算結(jié)果見表4。

從表4的計算結(jié)果可以得到，型鋼采用500 mm×150 mm，即含鋼率為2.15%時，型鋼混凝土梁的截面抗彎、抗剪承載力已經(jīng)可以滿足恒載及列車荷載需要。再結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)，雖然減小型鋼混凝土梁的截面高度會減小其承載能力，但考慮到框架橋在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力值，采用表4中的設(shè)計參數(shù)無疑更加合理、經(jīng)濟(jì)。

表4 不同含鋼率下截面承載力計算結(jié)果

3.4 抗剪計算

為防止梁發(fā)生斜壓破壞，控制梁裂縫開展的寬度，需要確定合理的構(gòu)件截面尺寸，以控制梁的剪壓比。梁的受剪截面應(yīng)符合以下條件

式中:Vb為剪力設(shè)計值;βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)。

為避免含鋼率過小，梁的受剪截面應(yīng)符合以下條件

式中:hw為型鋼腹板高度。

代入本例中相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得

故滿足條件構(gòu)造要求。

4 結(jié)論

本文為研究型鋼混凝土結(jié)構(gòu)用于大跨度(≥16 m)頂進(jìn)框架橋能否有效減少截面尺寸的可行性，結(jié)合某一實(shí)際工程，利用Midas Civil建立相同跨徑(2-16 m)的框架橋有限元模型，計算出荷載作用下的最大內(nèi)力值。以框架橋截面頂板厚度和含鋼率為控制變量，計算不同厚度和含鋼率下型鋼混凝土梁的截面承載力。通過對比分析，得到本模型下型鋼混凝土梁的截面尺寸、型鋼含鋼率對結(jié)構(gòu)承載能力的影響規(guī)律，提出適用于本文工程案例下的型鋼混凝土框架橋頂板的合理厚度和型鋼型號。

經(jīng)計算，本文參考的原型鋼筋混凝土框架橋自重約為40 380 kN(鋼筋混凝土重度取26 kN/m3);而使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)頂板厚度取800～900 mm時，框架橋自重約為32 740～35 640 kN。

對于大跨度頂進(jìn)框架橋(≥16 m)來說，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)可以有效減輕結(jié)構(gòu)自重，降低施工難度，節(jié)約工程造價，從理論上說明將型鋼混凝土結(jié)構(gòu)用于大跨度頂進(jìn)框架橋是一種可行方案，具有進(jìn)一步研究前景和工程應(yīng)用價值。

［1］李家穩(wěn).地道橋設(shè)計與施工［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［2］陳世鳴.鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］邵旭東.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］閆曉夏，柯在田，徐玉勝，等.朔黃鐵路32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁適應(yīng)30 t軸重貨車加固改造分析［J］.鐵道建筑，2014(11):1-5.

［6］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 138—2001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.