鋼板組合梁橋墩擴大頭優化設計及計算分析

武 林， 胡清和

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

皖南某山區高速目前已推廣應用鋼板組合梁橋,全線共31座鋼板組合梁橋,總長度12.12 km[3]。由于本項目地處山區,架設鋼板梁工字鋼及預制橋面板均采用架橋機,因此合理地設計鋼板組合梁橋墩顯得尤為重要。

1 施工圖階段鋼板組合梁橋墩結構

施工圖設計中,鋼板梁下部橋墩結構如圖1所示,其中墩頂擴大頭寬度a為110 cm(35 m跨徑鋼板組合梁)。

圖1 下部橋墩立面圖(施工圖階段)

2 橋墩結構優化的原因

本項目鋼板組合梁架橋機為GYLQ180t-40型,該架橋機兩支腿中心點間寬度為920 cm[4]。由圖1可知,橋墩墩頂寬度為890 cm,無法滿足架橋機架設要求。

3 橋墩結構的優化

為保證架橋機放置,需對墩頂擴大頭進行加寬，可在橋墩墩頂設置牛腿,優化后的橋墩結構，如圖2所示。

圖2 下部橋墩立面圖(優化后)

4 牛腿模型計算

根據《混凝土結構設計規范》[5]規定,對于a不大于h0的柱牛腿(圖3),截面尺寸應符合下列幾點要求:

圖3 牛腿尺寸參數圖

4.1 牛腿裂縫控制要求

本項目采用的GYLQ180t-40型鋼板組合梁架橋機,其前支腿支點處最大反力為800 kN,無水平拉力值。為考慮受力最不利影響,取Fvk=800 kN,Fhk=0 kN,a=1.6 m。

根據計算,擴大頭需配置12根直徑為28 mm的HRB鋼筋才能滿足抗裂要求,實際按照14根直徑28 mm HRB進行配筋。

4.2 牛腿頂面局部壓應力計算

在牛腿頂面的受壓面上,由豎向力標準值Fvk=800 kN引起的局部壓應力不應超過0.75fc。前支腿受壓面為0.3 m×0.3 m。即:

σc=Fvk/Ac=800/(0.3×0.3)=8.89 MPa<0.75fc

所以,牛腿頂面受壓面局部壓應力滿足要求。

4.3 縱向受力鋼筋計算

Fv=ηFvk=1.4×800=1 120 kN,Fh=0 kN。即:

=4 889.2 mm2≤142×π×16=9 847.0 mm2

所以,縱向受力鋼筋面積符合規范要求[6-9]。

5 有限元仿真分析驗算

5.1 模型建立

為更好地了解牛腿受力情況,采用MIDAS Fea有限元仿真分析軟件建立有限元模型,具體模型如圖4所示。該實體模型共52 682個節點,68 408個單元(其中以主梁橫向為X方向,主梁縱向為Y方向,主梁豎向為Z方向),在墩柱底板施加固結約束以模擬墩柱實際受力情況。

圖4 墩柱有限元模型圖

5.2 分析結果

5.2.1 正應力分析

圖5～7分別為牛腿X方向、Y方向及Z方向正應力分析結果。

圖5 牛腿X方向正應力

圖6 牛腿Y方向正應力

圖7 牛腿Y方向正應力

由圖5～圖7可知，牛腿在X、Y及Z方向大部分區域應力均在2 MPa之間,構件受力處于安全狀態(拉應力為正,壓應力為負,下同)。

5.2.2 主應力分析

牛腿主拉應力及主壓應力分別如圖8、圖9所示。

圖8 牛腿主拉應力

圖9 牛腿主壓應力

由圖8可知，墩柱大部分區域主拉應力小于2 MPa,而在架橋機作用區域附近存在應力集中現象,應力在2.09～2.81 MPa,即存在開裂的可能,建議在牛腿頂部布置鋼筋網。由圖9可知，架橋機作用區域主壓應力最大為12.53 MPa,小于0.75倍的C40混凝土抗壓強度標準值,所以牛腿受力處于安全狀態[10-12]。

6 結 論

(1)上述兩種方法計算結果對比分析顯示,牛腿模型計算結果與有限元模型驗算結果相近。牛腿計算公式更簡單,計算理論簡單明確,實用性較強。

(2)基于目前配筋情況,牛腿整體受力狀態為安全狀態。但架橋機作用區域附近應力較為集中,建議在牛腿頂面布置防裂鋼筋網。

(3)本文計算方法對鋼板組合梁橋墩擴大頭設計均適用,因此本項目橋墩的設計可標準化設計。