現(xiàn)澆寬箱梁-異形橫梁橋設(shè)計(jì)研究

■韓麗麗 楊俊峰

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450000;2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450000)

現(xiàn)澆寬箱梁-異形橫梁橋設(shè)計(jì)研究

■韓麗麗1楊俊峰2

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450000;2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450000)

公路現(xiàn)澆寬箱梁橋的設(shè)計(jì)需要考慮箱梁畸變-翹曲效應(yīng)，采用建立柔性梁格法可有效彌補(bǔ)這一短板。整體箱梁不等跨腹板在結(jié)構(gòu)受力上差別較大，可以采用分腹板配束方式。大跨徑預(yù)應(yīng)力橫梁的變形和耐久性設(shè)計(jì)可以通過合理的配束以及結(jié)構(gòu)形式得到解決。

寬箱梁 異形橫梁 柔性梁格法 耐久性設(shè)計(jì)

1 引言

寬箱梁在公路橋梁和市政橋梁上的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的桿系計(jì)算理論只考慮了箱梁的縱向擾曲和自由扭轉(zhuǎn)，而寬箱梁的畸變翹曲效應(yīng)的忽視給設(shè)計(jì)帶來了較大的不安全因素，因此，考慮箱梁畸變翹曲的梁格分析理論在寬箱梁橋的設(shè)計(jì)中越來越受重視。公路設(shè)計(jì)中，跨河、跨路小交角橋梁已經(jīng)非常普遍，這類橋梁上部結(jié)構(gòu)一般采用整體現(xiàn)澆的箱梁橋，而被交叉道路或者河流的情況多變，下部結(jié)構(gòu)常常需要做成特殊的布置，這使得橋梁整體的受力更加復(fù)雜。因此，專門研究這一類橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算有著重要的意義。

2 箱梁的畸變理論

箱梁截面在反對(duì)稱荷載的作用下，由于箱型界面的幾何可變特性，除了引起箱梁的剛性扭轉(zhuǎn)效應(yīng)外，還能產(chǎn)生以橫向彎曲為主的截面畸變，這種橫向彎曲會(huì)引起箱梁在縱向的附加正應(yīng)力和剪應(yīng)力，稱為箱梁截面的翹曲正應(yīng)力和翹曲剪應(yīng)力[1]。

關(guān)于箱梁截面的畸變應(yīng)力計(jì)算，國(guó)內(nèi)外做了大量的研究，其中，基于彈性地基梁比擬法(BEF Method)[2]應(yīng)用較為廣泛。該理論是根據(jù)在畸變荷載作用下，箱梁的變形能量守恒推導(dǎo)得到的一個(gè)彈性地基梁擾曲微分方程。箱梁畸變微分方程為：

式中，

EIR——箱形梁橫向框架剛度；

EI——截面畸變翹曲剛度。

受豎直荷載作用的彈性地基梁的擾曲微分方程為：

根據(jù)彈性地基梁彎曲和箱形梁畸變的相似關(guān)系可以求解箱形梁的畸變微分方程。關(guān)于箱梁畸變微分方程的求解，可以采用彈性地基梁的求解方法如除參數(shù)法。若λL≥4時(shí)，跨中區(qū)域相似于兩邊為無限長(zhǎng)的地基梁，兩端部相似于一邊為無限長(zhǎng)的彈性地基梁；λL＜4時(shí)，則按有限長(zhǎng)的彈性地基梁求解。求解得到畸變角度后，可求得畸變翹曲應(yīng)力。

實(shí)際設(shè)計(jì)中常常采用梁格有限元分析模型對(duì)箱梁畸變翹曲進(jìn)行數(shù)值模擬，這樣避免了求解復(fù)雜微分方程帶來的麻煩，提供了設(shè)計(jì)效率。

3 工程概況

官渡黃河橋工程是河南省干線公路規(guī)劃中的國(guó)道107改線跨越黃河的重大工程，官渡黃河橋的建設(shè)對(duì)加快以鄭州為核心地區(qū)的中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)進(jìn)程，促進(jìn)河南省乃至全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都將產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響。西干渠中橋?yàn)楣俣牲S河橋接線跨越西干渠的結(jié)構(gòu)物，跨徑布置為25m+40m+33m，其平面圖和斷面圖如下圖1～3所示。

西干渠中橋箱梁頂板寬17.24m，底板寬13.24m，懸臂長(zhǎng)2m，按照等截面單箱三室設(shè)計(jì)。兩側(cè)箱室寬度為3.408m，中間箱室寬度為 3.543m，梁高 2.2m，橋面設(shè)置2.0%的橫坡。箱梁頂板厚度為25cm，底板厚度為22cm，跨中腹板厚度為45cm，支點(diǎn)腹板厚度為75cm。西干渠中橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土橋，異形橫梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力。

圖1 西干渠中橋平面圖

圖2 西干渠中橋支點(diǎn)斷面圖

圖3 西干渠中橋跨中斷面圖

4 縱向配束研究

西干渠中橋?yàn)楫愋维F(xiàn)澆箱梁橋，橋?qū)挒?7.24m，橋梁寬跨比分別為0.69、0.43、0.52，而且橫梁特殊布置需要考慮箱梁截面的畸變翹曲，因此，建立以剪力柔性梁格理論[3]為基礎(chǔ)的梁格分析模型更為準(zhǔn)確。西干渠中橋沿路線中心線的跨徑布置為25m+40m+33m，而沿腹板1～腹板4中心線 (如下圖4)的跨徑布置分別為25m+34.53m+38.47m、25m+36.08m+36.92m、25m+37.63m+35.37m、25m+39.19m+33.81m，每個(gè)腹板的豎向變形相差較大，若按統(tǒng)一跨徑布置鋼束，不能有效的發(fā)揮鋼束的效應(yīng)，因此，基于各個(gè)腹板跨徑的鋼束布置更為有效。縱向鋼束采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，鋼束張拉控制力為 1339MPa，鋼束規(guī)格為 15 15.2、12 15.2。

圖4 腹板布置圖

利用橋梁專用有限元分析軟件MIDAS建立基于剪力柔性梁格理論的梁格分析模型，如下圖5、圖6所示。

圖5 西干渠中橋梁格模型消隱圖

圖6 西干渠中橋梁格模型離散圖

基于各個(gè)腹板跨徑的縱向配束正常使用階段頻遇組合[4～5]計(jì)算結(jié)果如表1所示。可以看出，這種配束方式有效的發(fā)揮了鋼束的效應(yīng)，符合結(jié)構(gòu)受力規(guī)律。

表1 正常使用階段頻遇組合正截面應(yīng)力分析結(jié)果

5 預(yù)應(yīng)力橫梁配束設(shè)計(jì)

左幅2號(hào)橋墩和右幅1號(hào)橋墩處橫梁為預(yù)應(yīng)力橫梁，橫梁為 2.5m(寬)×2.2m(高)矩形，斜 20°，橫梁總長(zhǎng)21.847m，立柱間距19m，預(yù)應(yīng)力橫梁立面、平面、斷面圖如下圖7～9所示。

橫梁鋼束采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，鋼束張拉控制力為1339MPa，鋼束規(guī)格為25 15.2。根據(jù)全橋建立柔性梁格模型計(jì)算結(jié)果，建立預(yù)應(yīng)力橫梁的橫梁分析模型。

分析結(jié)果如下：預(yù)應(yīng)力鋼束最大應(yīng)力為1157.53MPa，小于規(guī)范要求1209MPa；正常使用階段頻遇組合最大拉應(yīng)力為0.3907MPa，小于規(guī)范要求1.855MPa；正常使用階段準(zhǔn)永久組合最小壓應(yīng)力為1.1785MPa，全截面受壓；正常使用階段標(biāo)準(zhǔn)組合正截面最大壓應(yīng)力為12.2319MPa，小于規(guī)范要求16.2MPa；正常使用階段標(biāo)準(zhǔn)組合斜截面最大主壓應(yīng)力為12.6121MPa，小于規(guī)范要求19.44MPa；正截面抗彎和抗剪承載力均滿足規(guī)范要求值。綜上，分析結(jié)果均滿足 《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》相關(guān)規(guī)定。

可以看出，西干渠中橋預(yù)應(yīng)力橫梁的鋼束采用了不對(duì)稱、交錯(cuò)的布置形式，這種配束方法使得橫梁各個(gè)截面應(yīng)力分布較為均勻，鋼束效應(yīng)明顯，結(jié)構(gòu)受力更為明確。

6 預(yù)應(yīng)力橫梁墩梁連接研究

圖7 預(yù)應(yīng)力橫梁立面圖

圖8 預(yù)應(yīng)力橫梁平面圖

圖9 預(yù)應(yīng)力橫梁斷面圖

預(yù)應(yīng)力橫梁與橋墩的連接方式直接影響到預(yù)應(yīng)力橫梁的內(nèi)力分配和后期徐變?cè)斐傻淖冃危虼耍x擇合理的橫梁墩梁連接形式是西干渠中橋長(zhǎng)期耐久性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。西干渠中橋預(yù)應(yīng)力橫梁墩梁連接形式可采用支座連接的柱式墩(工況一)和墩梁固結(jié)的框架墩(工況二)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖10。基于工況一和工況二建立全橋的建立柔性梁格模型。

圖10 預(yù)應(yīng)力橫梁墩梁連接圖

通過模型計(jì)算，分別提取兩種工況下主梁收縮徐變前后的最大位移，如下表2所示。

表2 不同墩梁連接的位移比較

由表2可以看出，墩梁固結(jié)形式的主梁成橋位移是柱式墩的兩倍，柱式墩的10年收縮徐變位移為0.793mm，墩梁固結(jié)10年收縮徐變位移為2.9mm。因此，西干渠中橋預(yù)應(yīng)力橫梁宜采用柱式墩的形式。

7 結(jié)語(yǔ)

本文以官渡黃河橋西干渠中橋?yàn)楸尘埃攸c(diǎn)研究了現(xiàn)澆寬箱梁-異形橫梁橋的設(shè)計(jì)，通過研究得到了以下結(jié)論：

(1)斜交橫梁引起的主梁腹板支撐跨徑不同，采用各個(gè)腹板跨徑的配束形式不僅節(jié)約了鋼束的用量，而且更能有效的發(fā)揮鋼束效應(yīng)，使橋梁結(jié)構(gòu)受力更加合理；

(2)寬箱梁-異形橫梁橋采用剪力柔性梁格分析的方法，可以較為準(zhǔn)確的描述箱梁的畸變-翹曲響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理和安全；

(3)大跨徑預(yù)應(yīng)力橫梁的設(shè)計(jì)需根據(jù)橫梁的荷載分布形式，根據(jù)橫梁的內(nèi)力分布，有針對(duì)性的進(jìn)行配束研究，必要時(shí)可采用不對(duì)稱或者交錯(cuò)配束的形式；

(4)寬箱梁-異形橫梁橋在較大跨徑橫梁的支撐下，預(yù)應(yīng)力橫梁宜采用柱式墩支座連接的形式，從而有效控制由于徐變帶來的主梁長(zhǎng)期下擾問題。

[1]郭金瓊，房貞政，鄭振.箱形梁設(shè)計(jì)理論[M].北京：人民交通出版社，1989：80-118.

[2]胡肇滋.單室箱梁橋畸變的兩種彈性地基梁法的研究[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1987(1)：80-88.

[3]虞謹(jǐn)菲.剪力柔性梁格法在異形箱梁橋分析中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)安大學(xué)2009.

[4]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.06.

[5]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.10.