基于不同力學(xué)模型的箱梁行車道板結(jié)構(gòu)分析

師傳龍

（甘肅省定西公路事業(yè)發(fā)展中心試驗檢測室，甘肅 定西 743000）

0 引言

在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，建筑領(lǐng)域不斷出現(xiàn)一些新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料。如何將這些新興事物通過新的計算理論和設(shè)計經(jīng)驗運用到既有橋梁的加固改造中是每一位工程技術(shù)人員亟需思考、踐行的問題。本文從兩種不同的力學(xué)模型出發(fā)，對箱梁行車道板的內(nèi)力計算和配筯設(shè)計進(jìn)行分析，從而為工程前期的準(zhǔn)備工作奠定基礎(chǔ)。

1 既有工程概況

依據(jù)《甘肅省定西公路局S209線K200+713東坡橋檢測報告》，該橋總體技術(shù)狀況等級為4類，建議對該橋及時進(jìn)行交通管制，如限載、限行通過，或?qū)蛄哼M(jìn)行大修、改造或拆除重建。該橋梁橋面存在橫向貫穿裂縫；橋面泄水孔堵塞；橋面開裂伸縮縫缺失；橋面護(hù)欄彎曲、外傾；欄桿脫落；人行道板破損露筋；1#橋臺處人行道板混凝土剝落，粗骨料外露，護(hù)欄基礎(chǔ)端頭破損。參考《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004）[1]相關(guān)要求，確定改造原則如下：在確定的維修、使用條件和環(huán)境作用下，使橋梁結(jié)構(gòu)保持適用性、安全性，最終保證結(jié)構(gòu)耐久性，使橋梁服務(wù)水平滿足設(shè)計要求，對實施危橋改造工程是非常必要的。

2 工程基本參數(shù)

人群荷載按3.5kN/m2考慮；橋面鋪裝層采用8cm厚瀝青混凝土+8cm厚C50水泥混凝土。普通鋼筋選用原則為：鋼筋直徑<12mm時采用R235鋼筋，鋼筋直徑≥12mm時采用HRB335 鋼筋；材料重度按23kN/m3（瀝青混凝土）、26kN/m3（預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)）、25kN/m3（水泥混凝土）計算，人行道線荷載為9kN/m（單側(cè)）。

3 行車道板內(nèi)力計算

鑒于主梁翼緣板內(nèi)的鋼筋設(shè)置是連續(xù)布置，故行車道板內(nèi)力可按懸臂板（邊梁）和兩端固結(jié)的連續(xù)板（中梁）兩種情況來計算[2]。

3.1 懸臂板（邊梁）荷載效應(yīng)計算

橋梁邊梁力學(xué)簡化模型如圖1所示。

圖1 懸臂板計算圖示（單位：cm）

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)置情況，由主梁的細(xì)部尺寸可得出懸臂板的懸臂長度為0.618m，計算懸臂板（邊梁）荷載效應(yīng)時，我們選取懸臂板寬度為單位寬度[3]進(jìn)行計算，即1.0m。一期永久荷載作用效應(yīng)（懸臂根部）為Mq1=-1.11kN?m，Vq1=3.78kN?m；橋面鋪裝層完成，即橋面現(xiàn)澆部分施工完畢后，施加二期永久作用，此時仍然按照凈跨徑為0.618m的單向懸臂板橋面板進(jìn)行荷載計算，人行道線荷載按照比例采用3.708kN/m，根據(jù)疊加原理，二期永久作用效應(yīng)計算結(jié)果為：Mq2=-1.53kN?m；Vq2=4.94kN。總永久作用效應(yīng)（懸臂根部）為：彎矩Mq=-1.11-1.53=-2.64kN?m；剪 力：Vq=3.78+4.94=8.72kN。邊梁懸臂板處人群荷載產(chǎn)生的可變作用為MAq= -0.67kN ?m，VAq=3.5×0.618×1=2.16kN。根 據(jù)規(guī)范要求，按照承載能力極限狀態(tài)作用基本組合的原理[4]，得出MAd=1.2Mq+1.4MAq=-4.11kN?m，VAd=13.49kN。

3.2 連續(xù)板（中梁）荷載效應(yīng)計算

箱梁在預(yù)制過程中，是連接在一起的一個整體，當(dāng)橋梁上部的橋面現(xiàn)澆鋪裝層完成后，行車道板和主梁梁肋既不是剛性連接，也不是鉸接，而采用彈性固結(jié)理論計算更貼近于實際受力狀態(tài)，即將整個力學(xué)計算模型簡化為支撐在多個彈性支承上的多跨連續(xù)板。和其他構(gòu)件的受力相比，橋面板的受力具有一定的復(fù)雜性，其中影響受力的因素比較多。平時的計算中，通常采用簡化的近似方法進(jìn)行相應(yīng)的計算。就彎矩而言，首先算出一個與之跨度一樣的簡支結(jié)構(gòu)的跨中荷載效應(yīng)，再乘以一個經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證的、比較安全的修正系數(shù)進(jìn)行修正，從而算得支座中心處和梁中位置的設(shè)計彎矩，上面提到的彎矩修正系數(shù)，可依據(jù)板的厚度t與梁的肋高h(yuǎn)的比值來進(jìn)行相應(yīng)的計算。

根據(jù)工程實際，板的厚度t為20cm，梁的肋高h(yuǎn)為120cm，因此二者的比值為t/h=20/120=1/6<1/4，從這個結(jié)果不難看出，該橋主梁的抗扭能力還是很大的，所以取跨中截面處的彎矩M中=0.5M0，支點截面處的彎矩M支=-0.7M0；在進(jìn)行剪力計算的時候，可以不考慮行車道板和主梁的彈性固結(jié)產(chǎn)生的作用；近似地簡化為簡支板支點截面處的剪力和連續(xù)板支點截面處的剪力相等。

永久恒載：取縱向單位寬度（即1m寬）的板條計算每延米板的結(jié)構(gòu)自重q，鋪裝層1（厚度8cm的瀝青混凝土）的自重：q1= 1.84kN/m，鋪裝層2（厚度8cm的C50水泥混凝土）的自重：q2= 2kN/m，箱型梁翼緣板的自重：q3=5kN/m，所以q= 8.84kN/m。

自重彎矩（跨中截面）和自重剪力（支點截面）分別為：

由于車輛荷載而產(chǎn)生內(nèi)力，車輛荷載布置的原則是把車輛的后輪布置于頂板的對稱軸線上，其中后軸軸重按p= 140kN 考慮，著地寬度按照0.6m、著地長度按照0.2m計算。

與板的跨徑方向相平行的方向的荷載分布寬度為b=b1+ 2H= 0.92m，車輛的車輪布置在跨徑中部位置時，垂直于板的跨徑方向（即順橋向）的荷載分布寬度為在板的支撐處布置車輪時，與板的跨徑方向相垂直的方向，荷載的有效分布寬度為：

當(dāng)板的支撐附近布置車輪時，假設(shè)車輛的車輪距支點位置的距離為x，與板的跨徑方向相垂直的方向，荷載的有效分布寬度為：

在板的中央，將重車后輪布置在此位置，可以算出簡支板跨中位置，由汽車荷載作用產(chǎn)生的最大彎矩[5]為：

在支點位置處計算剪力，布置荷載時，盡量使可變作用靠近梁肋的邊緣位置布置，同時兼顧一定的有效工作寬度后，支點位置處的剪力值為：

連續(xù)板可變作用效應(yīng)及承載能力極限狀態(tài)作用下的荷載基本組合分別見表1和表2。

表1 連續(xù)板可變作用效應(yīng)下的載荷基本組合

表2 承載能力極限狀態(tài)作用下的荷載基本組合

4 行車道板配筋設(shè)計

抗彎承載力（正截面）設(shè)計：該工程在連續(xù)板（中板）和懸臂板（邊板）支點位置采用一樣的配筋，考慮配筋時按照最大荷載作用效應(yīng)來進(jìn)行配筋，所以采用連續(xù)板的內(nèi)力參數(shù)進(jìn)行整個結(jié)構(gòu)設(shè)計是行之有效的，即Md=-23.62kN ?m，其高度為h= 26cm，此處保護(hù)層凈厚度a= 35mm，當(dāng)選用HRB335（直徑d= 12mm）鋼筋，則有效高度為h0=h-a-d/2 = 21.8cm，采用公式：

得x= 4.9mm，驗算ξbh0= 0.56×218 = 122.1mm>x= 4.9mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

選取12mm直徑的HRB335鋼筋，此時鋼筋的間距為15cm，從而，不難得出行車道板（單位長度）所能提供的鋼筋有效面積為A= 754mm2。

截面承載力的驗算，按以下公式：

得出承載力滿足相關(guān)要求[6]。

連續(xù)板（跨中截面）的抗彎鋼筋配置：從內(nèi)力分析的過程中，不難得出跨中截面彎矩為Md= 20.12kN ?m，結(jié)構(gòu)高度為20cm，根據(jù)工程所處環(huán)境，取混凝土保護(hù)層凈厚度a= 35mm，選取HRB335（直徑d= 12mm）的鋼筋，此時有效高度h0=h-a-d/2 = 15.8cm，按照公式：

得x= 5.8mm，驗算ξbh0=0.56×158=88.5mm>x=5.8mm，不難看出，計算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求。

選用HRB335鋼筋（直徑d=12mm）時，鋼筋間距按照150mm考慮，由此可得行車道板（單位長度）所提供的鋼筋有效截面積為A=754mm2。根據(jù)截面承載力的驗算公式：

得到承載力滿足相關(guān)要求。考慮到工程實際施工的便捷性，上下緣的配筋配置采用相同的配筋，即為HRB335（直徑d= 12mm）鋼筋，鋼筋間距取150mm。

在進(jìn)行抗剪承載力（斜截面）設(shè)計時，截面樣式為矩形時，受彎構(gòu)件的截面尺寸應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定：

通常按照上述公式來進(jìn)行驗算，因此斜截面抗剪最小尺寸滿足要求，同時，該截面還滿足公式：

所以，在實體工程中，只需滿足構(gòu)造要求即可。根據(jù)相關(guān)規(guī)范中的構(gòu)造要求可知，在主鋼筋的垂直方向，板內(nèi)應(yīng)配置相應(yīng)的分布鋼筋，鋼筋直徑≥8mm，鋼筋間距≤200mm，最終，該工程中的分布鋼筋選用Ф8@200mm的HRB335鋼筋，以滿足規(guī)范中的鋼筋構(gòu)造要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)工程實際經(jīng)驗，在平時的項目建設(shè)中，除設(shè)計單位外的其他參建單位，往往存在著重施工、輕設(shè)計的作業(yè)思想，因此結(jié)構(gòu)計算分析通常被施工技術(shù)人員所忽視，再加之理論基礎(chǔ)參差不齊，使得既有橋梁改造質(zhì)量參差不齊。本結(jié)構(gòu)分析基于實際工程，涉及現(xiàn)行荷載規(guī)范的選用與遵循，以及一系列科學(xué)的計算，為后續(xù)危舊橋梁改造提供了相應(yīng)的理論依據(jù)和工程經(jīng)驗，為工程質(zhì)量與安全保駕護(hù)航。