窄幅鋼箱組合梁關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)分析

郝 翠， 曹新壘

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，隨著國(guó)家推行綠色公路、發(fā)展“四個(gè)交通”的政策[1,2]要求，橋梁工業(yè)化建造技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化預(yù)制及機(jī)械化施工等被提上了日程。鋼-混凝土組合梁橋[3-5]因其受力合理、鋼主梁自重較輕、工廠化程度高等特點(diǎn)，越來越多地被應(yīng)用于工程實(shí)際中。為了適應(yīng)平面曲線變化，增加側(cè)向抗扭剛度等，鋼箱組合梁橋會(huì)被優(yōu)先考慮，同時(shí)為了減小結(jié)構(gòu)自重，便于運(yùn)輸及安裝，設(shè)計(jì)上考慮采用窄幅鋼箱組合梁橋。目前，國(guó)內(nèi)窄幅鋼箱組合橋梁應(yīng)用較少，尚在推廣階段。

窄幅鋼箱組合梁的腹板間距比傳統(tǒng)的箱梁要小，故相對(duì)傳統(tǒng)鋼箱梁其箱內(nèi)構(gòu)造得以簡(jiǎn)化，相對(duì)鋼板梁則更能適應(yīng)大跨度及曲線橋的情況。窄幅鋼箱配合使用組合橋面板、預(yù)應(yīng)力橋面板，橋面板的跨度增大，可省略小縱梁，是一種經(jīng)濟(jì)性較好的結(jié)構(gòu)形式。

在確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)之前，應(yīng)在滿足受力要求的前提下，盡可能尋找經(jīng)濟(jì)性較好的方案。本文從鋼箱梁高、箱寬及鋼材標(biāo)號(hào)等進(jìn)行參數(shù)分析，研究其對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率、剛度、板厚、用鋼量等的影響，以此來確定合理的主梁布置和經(jīng)濟(jì)的組合方式。

1 研究算例

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

某高速公路橋?yàn)?0 m簡(jiǎn)支窄幅鋼箱組合梁橋，如圖1所示。單幅橋?qū)?2.75 m，采用雙主梁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁跨間及端支點(diǎn)處設(shè)置橫隔板，橫隔板間距為5 m。鋼箱梁高2.8 m，鋼箱腹板間距為1.2 m，頂板寬1.4 m，底板寬1.26 m，兩片鋼箱中心距為7.1 m。鋼箱主梁采用直腹板形式，主要由頂板、底板、腹板、頂板加勁肋、腹板豎向加勁肋及縱向加勁肋等組成。

圖1 橋梁橫斷面示意圖

鋼箱梁計(jì)算長(zhǎng)度為49.9 m，綜合考慮運(yùn)輸條件及受力特點(diǎn)，將梁段劃分為5個(gè)節(jié)段，包括2個(gè)節(jié)段A、2個(gè)節(jié)段B及1個(gè)節(jié)段C，其長(zhǎng)度分別為8.95 m、10 m及12 m。A梁段鋼箱梁采用Q345qD，B梁段及C梁段鋼箱梁采用Q370qD。

橋面板采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制橋面板。橋面板設(shè)預(yù)留孔洞，采用集束式剪力釘群。橋面板寬12.75 m，承托處板厚0.4 m，懸臂處及跨中處板厚0.3 m。橋面板內(nèi)配置φ15.2-1預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。

1.2 有限元分析模型

參數(shù)分析中有限元計(jì)算采用通用有限元程序MIDAS Civil。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散時(shí)，鋼箱梁頂板、腹板及底板和橋面板按實(shí)際尺寸計(jì)入，其余構(gòu)造均按荷載作用考慮。橋面板及鋼箱梁均采用梁?jiǎn)卧M，計(jì)算模型中共離散為172個(gè)節(jié)點(diǎn)，138個(gè)單元。材料特性做了以下簡(jiǎn)化：鋼材及混凝土均按各向同性的勻質(zhì)彈性體考慮；鋼箱梁(橋梁用鋼)彈性模量Es=2.06×106MPa，線膨脹系數(shù)(以每℃計(jì))αs=1.2×10-5；橋面板混凝土(C50)彈性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比μ=0.2；預(yù)應(yīng)力鋼束采用高強(qiáng)低松弛鋼鉸線，公稱直徑15.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，公稱面積140 mm2，彈性模量為1.95×105MPa。

有限元模型按照實(shí)際約束的方式考慮，單個(gè)支點(diǎn)采用點(diǎn)約束形式施加于支座位置，MIDAS Civil有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型示意圖

2 參數(shù)分析

計(jì)算應(yīng)力點(diǎn)取計(jì)算長(zhǎng)度范圍節(jié)段分界點(diǎn)及節(jié)段中點(diǎn)，共計(jì)11個(gè)應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)。

2.1 梁高

窄幅鋼箱組合梁的梁高略低于同等跨徑鋼板組合梁。經(jīng)調(diào)研，可知國(guó)外鋼板梁高跨比在1/30～1/20，國(guó)內(nèi)鋼板組合梁高跨比在1/23～1/18。參數(shù)分析時(shí)取梁高分別為2.3 m、2.5 m和2.8 m，見表1。

表1 不同梁高條件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(箱寬=1.2 m)

從表1可以看出，梁高增加，頂、底板厚度，尤其是底板厚度可以適當(dāng)減薄。

承載能力極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合三種梁高的主梁上、下緣應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 不同梁高條件主梁上、下緣應(yīng)力分布圖

由圖3可知，主梁應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中區(qū)域，分別為-268.14 MPa、265 MPa及267.07 MPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按1.1計(jì)入，均滿足規(guī)范要求。取較大梁高時(shí)，跨中主梁底板應(yīng)力控制設(shè)計(jì)，同時(shí)頂板的應(yīng)力富裕較大。

三種梁高情況下結(jié)構(gòu)自振頻率、跨中截面慣性矩(Iyy)及汽車荷載作用下?lián)隙热鐖D4所示。

圖4 不同梁高條件結(jié)構(gòu)自振頻率、截面慣性矩及汽車荷載作用下?lián)隙确植?/p>

由圖4可知，箱寬相等時(shí)，梁高越高，組合截面慣性矩越大，相應(yīng)結(jié)構(gòu)自振頻率越高，汽車荷載作用下跨中撓度也越小。

經(jīng)測(cè)算，三種梁高情況下結(jié)構(gòu)用鋼量分別為237.63 kg/m2、235.45 kg/m2及241.33 kg/m2，梁高增加，結(jié)構(gòu)用鋼量小幅增加。隨著梁高的增加，結(jié)構(gòu)整體剛度有所提高，頂?shù)装搴穸瓤梢赃m當(dāng)減薄，從而用鋼量的區(qū)別不會(huì)特別明顯。

2.2 箱寬

窄幅鋼箱組合梁區(qū)別于常規(guī)鋼箱組合梁的重要因素就是箱寬，即兩道腹板之間的間距。窄幅鋼箱梁的箱內(nèi)構(gòu)造可以大大簡(jiǎn)化，且便于運(yùn)輸和安裝。但箱內(nèi)空間過小，會(huì)導(dǎo)致維修養(yǎng)護(hù)存在困難?？紤]檢修人孔需求，箱寬腹板最小間距取值1.2 m，見表2。

表2 不同箱寬條件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(梁高=2.5 m)

承載能力極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合三種箱寬主梁上、下緣應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 不同箱寬條件主梁上、下緣應(yīng)力分布圖

由圖5可知，主梁應(yīng)力最大出現(xiàn)在跨中區(qū)域，分別為265.00 MPa、267.87 MPa及245.22 MPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按1.1計(jì)入，均滿足規(guī)范要求。箱寬增大，主梁應(yīng)力有所降低，但降低的程度有限。

三種箱寬條件下結(jié)構(gòu)自振頻率、跨中截面慣性矩(Iyy)及汽車荷載作用下?lián)隙热鐖D6所示。

圖6 不同箱寬條件結(jié)構(gòu)自振頻率、截面慣性矩及汽車荷載作用下?lián)隙确植?/p>

由圖6可知，梁高相等時(shí)，箱寬增加，截面慣性矩變化較小；相應(yīng)結(jié)構(gòu)自振頻率越大，汽車荷載作用下跨中撓度也越小。

經(jīng)測(cè)算，三種箱寬情況下結(jié)構(gòu)用鋼量分別為235.45 kg/m2、239.30 kg/m2及252.02 kg/m2，箱寬增加，結(jié)構(gòu)用鋼量增加較為明顯。

2.3 箱梁中心距

箱梁的中心距大小影響橋梁的側(cè)向剛度，對(duì)橋梁穩(wěn)定性影響比較大。同時(shí),箱梁間距、箱寬及懸臂寬度決定了橋面板的總體布置，間距過大則橋面板需采用組合橋面板或預(yù)應(yīng)力橋面板，且板厚較大，從而增加橋梁的自重，不利于結(jié)構(gòu)受力及橋梁輕型化。經(jīng)過調(diào)研，箱梁中心距一般取0.5～0.55橋梁寬度，且懸臂長(zhǎng)度不宜超過0.4倍箱梁中心距。組合橋面板時(shí)，箱梁中心距一般不超過6 m，工程實(shí)例最大做到8 m，對(duì)于中心距小于4 m時(shí)，一般采用鋼筋混凝土橋面板。

2.4 鋼材標(biāo)號(hào)

隨著鋼材制造能力的提高，越來越多的橋梁采用高性能鋼[6]，見表3。

表3 不同鋼材標(biāo)號(hào)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(梁高=2.3 m，箱寬=1.2 m)

承載能力極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下采用不同鋼材標(biāo)號(hào)組合條件下主梁上、下緣應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 不同鋼材標(biāo)號(hào)組合主梁上、下緣應(yīng)力分布圖

由圖7可知，主梁應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中區(qū)域，分別為-268.14 MPa及300.66 MPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按1.1計(jì)入，均滿足規(guī)范要求。

經(jīng)測(cè)算，采用不同鋼材標(biāo)號(hào)組合條件下，結(jié)構(gòu)用鋼量分別為237.63 kg/m2及221.97 kg/m2，跨中采用高性能鋼，可以大幅降低底板板厚，從而有效降低用鋼量。

3 結(jié) 論

(1)通過不同梁高、箱寬及高性能鋼組合下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、自振頻率、汽車荷載作用下?lián)隙燃坝娩摿康膶?duì)比分析，說明窄幅鋼箱組合梁總體設(shè)計(jì)中采用高梁高、窄箱寬、高性能鋼的應(yīng)用是合理的。

(2)梁高增加，結(jié)構(gòu)用鋼量略有增加，但整體剛度增大，提高了橋梁受力性能及行車舒適性。條件允許的情況下推薦采用較高梁高。

(3)箱寬增加，作用應(yīng)力富裕有所提高，但結(jié)構(gòu)用鋼量也隨著顯著提高，但對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的提升作用較小。因此，采用1.2 m箱寬是可行且合理的。

(4) 高性能鋼的采用可以大幅減小板厚，降低用鋼量。同時(shí)，高性能鋼的采用還可以降低梁高，對(duì)建筑高度要求較嚴(yán)格或需限制工程規(guī)模時(shí)可考慮高強(qiáng)鋼的使用。