天門口特大橋30 m鋼混組合工字梁受力研究

劉 劍

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

鋼混組合橋具有很多優(yōu)點(diǎn)，其充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的優(yōu)良特性，且自身重量小、強(qiáng)度高、剛度大、施工便捷，是我國現(xiàn)階段橋梁施工中應(yīng)用較多的橋型[1-5]。但是目前對鋼混組合橋梁的受力分析研究還不多，本文以天門口特大橋為工程背景，對天門口特大橋30 m鋼混組合工字梁橋進(jìn)行施工階段和成橋階段內(nèi)力分析，為本工程的順利、安全、快速施工提供保障。

1 工程概況

天門口特大橋位于津石高速公路津冀界至保石界段，為鋼混組合工字梁橋，長1 587 m，制作量約10 000 t，構(gòu)件約6 000件。主橋上部結(jié)構(gòu)由5片長30 m鋼混工字梁組合梁的通用單元結(jié)構(gòu)栓接而成，其中包括2片外主梁和3片內(nèi)主梁，組合梁橋面全寬16.512 m。鋼主梁為工字型直腹板鋼梁，中心線位置梁高1.64 m，間距為3.4 m，由變厚度的頂、底、腹板焊接而成，其中頂板厚25 mm、底板厚35 mm、腹板厚13 mm。梁間由高強(qiáng)度螺栓連接，橋面板與梁由剪力焊釘焊接，橫向布置4個焊接點(diǎn)，縱向按120～320 mm間距焊接，焊釘尺寸統(tǒng)一為240 mm×22 mm。

5片鋼混工字梁之間的橫向聯(lián)系由橫梁加強(qiáng)，間距為5.0 m。端、中橫梁采用焊接工字型截面形式的實腹式橫梁，橫梁頂板和底板、端橫梁腹板均為16 mm的等厚鋼板，中橫梁則為20 mm等厚鋼板，之間通過豎向加勁筋與工字梁腹板連接在一起，同時設(shè)置臨時起頂構(gòu)造。

現(xiàn)澆橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)梁段橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為25 cm，鋼梁支撐處板厚加厚至35 cm。橋面板下設(shè)6 mm永久鋼模板，形成組合結(jié)構(gòu)。

2 計算模型

2.1 有限元模型

全橋縱向計算時考慮橋面板之間的橫向連接作用，采用Midas Civil軟件模擬施工階段聯(lián)合截面鋼縱梁與橋面板的實際受力過程，結(jié)合施工步驟對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。全橋按空間網(wǎng)格建模，全橋共835個節(jié)點(diǎn)，1 460個單元，建立全橋有限元模型如圖1、圖2所示。

圖1 組合橋梁Midas有限元模型圖

圖2 橫梁處模型標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2.2 計算荷載及荷載組合

2.2.1 計算荷載

自重：模型中混凝土及內(nèi)部鋼筋重量，容重為90 kN/m3；二期恒載：二期恒載包括橋面鋪裝、防撞護(hù)欄等，以均布荷載計入，組合梁為8 cm厚C50混凝土+10 cm厚瀝青混凝土，防撞護(hù)欄取單側(cè)12.2 kN/m；活載：汽車荷載等級為公路-I級，按單向4車道加載，荷載及沖擊系數(shù)按相關(guān)規(guī)定取值，并按1.3倍汽車荷載進(jìn)行驗算；溫度作用：全橋整體溫升25 ℃，整體溫降25 ℃，組合梁梯度溫差應(yīng)按規(guī)范規(guī)定的梯度溫度進(jìn)行計算，瀝青混凝土鋪裝厚100 mm時，日照正溫差T1采用14 ℃，T2采用5.5 ℃，日照反溫差T1采用-7 ℃，T2采用-2.75 ℃；混凝土收縮徐變：采用C50微膨脹混凝土，計算中不計入混凝土收縮作用，徐變效應(yīng)按相關(guān)規(guī)定取值計算；基礎(chǔ)沉降：基礎(chǔ)不均勻沉降取5 mm計算。

2.2.2 荷載組合

成橋階段的分析考慮恒載、活載、溫度、沉降作用，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行最不利組合。

基本組合：1.1[(1.2恒載+1.0不均勻沉降+1.0徐變)+1.4汽車(含沖擊力)+0.75(1.4體系升/降溫+1.4梯度升/降溫)]；標(biāo)準(zhǔn)值組合：(1.0恒載+1.0不均勻沉降+1.0徐變)+1.0汽車(不含沖擊力)+1.0體系升/降溫+1.0梯度升/降溫；短期效應(yīng)組合：(1.0恒載+1.0不均勻沉降+1.0收縮徐變)+0.7汽車(不含沖擊力)+1.0體系升/降溫+0.8梯度升/降溫。

3 計算結(jié)果分析

3.1 施工階段受力分析

應(yīng)力驗算應(yīng)滿足組合梁不同受力階段的要求。施工過程中，在混凝土橋面板澆筑并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度之前，鋼梁橫向聯(lián)系、澆筑混凝土和模板的重量等，應(yīng)由鋼梁承擔(dān)；在混凝土橋面板達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度之后，二期恒載、活載、溫度荷載以及支座沉降荷載應(yīng)由鋼梁和橋面板形成的組合截面共同承擔(dān)。經(jīng)計算，整個施工階段過程中鋼梁上、下緣和橋面板上、下緣應(yīng)力包絡(luò)如圖3～10所示。

圖3 施工階段鋼梁上緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖4 施工階斷鋼梁上緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

圖5 施工階段鋼梁下緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖6 施工階斷鋼梁下緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

圖7 施工階段橋面板上緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖8 施工階斷橋面板上緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

圖9 施工階段橋面板下緣最大應(yīng)力云圖(MPa)

圖10 施工階斷橋面板下緣最小應(yīng)力云圖(MPa)

依據(jù)規(guī)范，在施工過程中應(yīng)對組合梁進(jìn)行承載力和穩(wěn)定性驗算，必要時進(jìn)行抗傾覆驗算。在進(jìn)行承載力驗算時采用基本組合荷載進(jìn)行驗算。依據(jù)規(guī)范，組合梁抗彎承載力應(yīng)采用線彈性方法計算，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)

式中：Md，i——鋼梁或組合截面在不同應(yīng)力階段對應(yīng)的彎矩設(shè)計值；

Weff，i——鋼梁或組合截面在不同應(yīng)力階段對應(yīng)的抗彎模量；

f——結(jié)構(gòu)不同材料的強(qiáng)度設(shè)計值。

經(jīng)計算，基本組合下，鋼梁最大拉應(yīng)力為1.2×93.7=112.4 MPa<270 MPa；鋼梁最大壓應(yīng)力為1.2×113.0=135.6 MPa<270 MPa；橋面板最大壓應(yīng)力為1.2×3.4=4.1 MPa<22.4 MPa。結(jié)果表明，全部施工過程中結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

3.2 成橋階段受力分析

3.2.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

(1)組合梁抗彎承載力計算

組合梁截面抗彎承載力應(yīng)采用線彈性的方法進(jìn)行計算，以截面上任意一點(diǎn)達(dá)到材料強(qiáng)度設(shè)計值作為抗彎承載力的標(biāo)志，并應(yīng)考慮所有可能同時出現(xiàn)的荷載作用。計算中考慮恒載、支座沉降、汽車荷載、梯度溫度、體系溫度作用，其中汽車荷載按照四車道偏載布置，按照基本組合乘以各自的分項系數(shù)。基本組合下，鋼梁上、下緣及橋面板上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖11～14所示。

圖11 基本組合鋼梁上緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖12 基本組合鋼梁下緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖13 基本組合橋面板上緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖14 基本組合橋面板下緣應(yīng)力云圖(MPa)

由圖可以看出，基本組合下，鋼梁最大拉應(yīng)力位于邊梁邊跨跨中上緣，為265 MPa，小于鋼材抗拉設(shè)計強(qiáng)度270 MPa，滿足規(guī)范要求；鋼梁最大壓應(yīng)力位于邊梁邊跨中支點(diǎn)下緣，為-244.4 MPa，小于鋼材抗壓設(shè)計強(qiáng)度270 MPa，滿足規(guī)范要求。

基本組合下，混凝土橋面板的最大壓應(yīng)力位于邊梁跨中截面上緣，為-11.2 MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值22.4 MPa；最大拉應(yīng)力位于邊梁中支點(diǎn)截面上緣，為10.6 MPa，遠(yuǎn)大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.83 MPa，此時混凝土橋面板開裂。

(2)組合梁豎向抗剪承載力驗算

根據(jù)規(guī)范，豎向剪力設(shè)計值可取聯(lián)合截面最大剪力計算值，并由鋼梁腹板承擔(dān)。組合梁豎向抗剪，經(jīng)計算在支點(diǎn)位置剪力最大，需驗算支點(diǎn)的截面豎向抗剪承載力。此時，組合梁中支點(diǎn)最大剪力為2 983 kN，端支點(diǎn)最大剪力為2 319 kN。對其進(jìn)行驗算有：

γ0vvd≤Vvu，Vvu=fvdAW

(2)

經(jīng)驗算，中支點(diǎn)γ0vvd=2 983 kN<(14×1 585)×155/1 000=3 439 kN；端支點(diǎn)γ0vvd=2 319 kN<(12×1 605)×155/1 000=2 985 kN，結(jié)果表明組合梁豎向抗剪承載力滿足要求。

3.2.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算

(1)持久狀況正常使用極限狀態(tài)橋面板正截面壓應(yīng)力驗算

以彈性階段的橋面板正截面壓應(yīng)力驗算荷載為標(biāo)準(zhǔn)值，計算結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖15 標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板上緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖16 標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板下緣應(yīng)力云圖(MPa)

經(jīng)驗算，組合梁混凝土頂板在標(biāo)準(zhǔn)值組合下出現(xiàn)最大壓應(yīng)力8.3 MPa，小于規(guī)范中C50混凝土σkc+σpt=16.2 MPa限值，滿足要求。

(2)持久狀況正常使用極限狀態(tài)橋面板裂縫寬度驗算

組合梁橋面板為鋼筋混凝土構(gòu)件，按鋼筋混凝土構(gòu)件驗算。使用階段混凝土橋面板在荷載短期效應(yīng)組合下正截面應(yīng)力主要計算結(jié)果如圖17、圖18所示。

圖17 短期組合橋面板上緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖18 短期組合橋面板下緣應(yīng)力云圖(MPa)

可以看出，短期組合下橋面板的最大拉應(yīng)力位于邊梁中支點(diǎn)截面上緣，為7.0 MPa，大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.83 MPa，提取該截面的內(nèi)力進(jìn)行裂縫寬度驗算。計算得截面處最大軸力N=4 463 kN，相應(yīng)彎矩設(shè)計值M=16 kN·m。截面上下緣配筋為φ22鋼筋，15 cm間距。根據(jù)規(guī)范，對于矩形、T形和I形截面鋼筋混凝土構(gòu)件，其最大裂縫寬度Wfk可按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行驗算，驗算過程如表1所示。

表1 驗算項目和結(jié)果分析表

從表1中可以看出，橋面板裂縫寬度小于規(guī)范限值，滿足要求。

(3)剛度驗算

汽車荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大上撓為10.7 mm，橋梁的最大下?lián)蠟?22.1 mm，得到橋梁的計算撓度為32.8 mm=L/915，該值小于規(guī)范的限值1/500，滿足要求。如圖19、圖20所示。

圖19 活載作用組合梁最大上撓云圖(MPa)

圖20 活載作用組合梁最大下?lián)显茍D(MPa)

3.2.3 支座反力

標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，全橋各支座最大及最小反力見下頁表2。

表2 支座反力計算結(jié)果表(kN)

結(jié)果表明，中支點(diǎn)最大支反力為-3 141 kN，端支點(diǎn)最大支反力為-1 608 kN。中支點(diǎn)采用支座規(guī)格TXPZ-4000 及GPZ(2009)-3.0支座，端支點(diǎn)采用GPZ(2009)-1.5支座，最大支座反力超出支座承載力且不足10%，但考慮到計算是按超載1.3系數(shù)進(jìn)行驗算的，因此中支座規(guī)格能滿足受力要求，端支點(diǎn)支座規(guī)格也滿足要求。

4 結(jié)語

(1)施工階段鋼箱梁及混凝土橋面板強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(2)成橋階段結(jié)構(gòu)剛度及支座選型均滿足規(guī)范要求。

(3)在基本組合下，鋼梁最大拉應(yīng)力位于邊梁邊跨跨中上緣，為265 MPa，小于鋼材抗拉設(shè)計強(qiáng)度270 MPa，滿足規(guī)范要求；鋼梁最大壓應(yīng)力位于邊梁邊跨中支點(diǎn)下緣，為-244.4 MPa，小于鋼材抗壓設(shè)計強(qiáng)度270 MPa，滿足規(guī)范要求，但富余不大。

(4)在成橋階段，短期組合下橋面板的最大拉應(yīng)力位于邊梁中支點(diǎn)截面上緣，為6.1 MPa，大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.83 MPa，提取該截面的內(nèi)力進(jìn)行裂縫寬度驗算。橋面板裂縫寬度為0.198 mm<0.2 mm，裂縫寬度滿足規(guī)范限值，但富余度較小，建議加強(qiáng)墩頂連續(xù)段橋面板配筋。