某大跨超寬波形鋼腹板橋橫向受力分析與研究

林 松

(中國華西工程設計建設有限公司,四川 成都 610000)

隨著經濟的發展,城市的規模也在迅速擴大,車流量也在迅速增加。為保證城市交通的快速、安全、暢通,必須要求城市道路的路幅寬度進一步增加,路幅寬度超過40 m是很常有的事情,有的甚至超過80 m[1]。路幅寬度的進一步擴展,促進了橋梁寬度的增加;因此常用的單箱單室截面,已經很難滿足橫向寬度要求,這也促進了單箱多室截面和多箱聯合截面越來越多得到應用,因此,橋梁橫向的問題顯得越加突出。

1 工程概況

某大跨超寬波形鋼腹板橋分為左、右兩幅,單幅7車道,橋寬為23.5 m～27.5 m,跨徑布置為80 m+130 m+80 m,形成三跨波形鋼腹板PC連續箱梁橋,其立面及平面布置分別如圖1(a),圖1(b)所示,標準截面如圖1(c)所示。波形鋼腹板鋼材為Q345c,鋼板厚10 mm～20 mm,其形狀按1600型采用,如圖1(d)所示。波形鋼腹板與混凝土頂板的連接采用Twin-PBL鍵連接方式,與底板的連接則采用S-PBL+栓釘的連接方式。

為加強兩箱橫向聯系,合理分布兩箱間橋面板受力,在兩箱之間的橋面板按縱向中距4.8 m設置了高80 cm的小橫梁;除端橫隔外及墩頂橫隔外,在兩個邊跨分別設置3道大橫梁,中跨設置4道大橫梁;該橋橫向受力呈現空間復雜受力狀態。

2 有限元模型

該超寬橋橫向受力呈現出空間的受力特性,常用的平面框架桿系的簡化計算方法難以適用,為了準確地計算橋面板的受力,本文建立節段空間有限元模型。按照最不利的原則,取中跨跨中截面為計算截面,建立跨度為41.6 m的等截面節段模型,見圖2。

模型采用Abaqus軟件建立,混凝土采用實體單元C3D8R進行模擬,彈性模量取3.45×104MPa,泊松比取0.2,波形鋼腹板及翼緣板采用板單元S4R進行模擬, 彈性模量取2.1×105MPa,泊松比取0.3,預應力鋼筋采用桁架單元T3D2進行模擬,彈性模量取2.1×105MPa,泊松比取0.3。波形鋼腹板與混凝土的連接視為固結,預應力的施加采用降溫法,所施加的溫度荷載可以通過式(1)求得:

(1)

模型中的邊界條件按簡支考慮,即一端約束X,Y,Z向的平動,另一端只約束其豎向平動。

3 荷載工況及組合

橫向計算時的荷載分為永久荷載和可變荷載,永久荷載考慮自重、橫向預應力及二期恒載。鋼束張拉時候的控制應力按1 395 MPa取值;二期恒載主要由如下幾項組成:

1)護欄荷載按集中力P的形式作用在懸臂端:P=15 kN。2)橋面鋪裝按均布荷載q的形式作用在梁單元上:10 cm瀝青混凝土q1=24×0.1=2.4 kN/m2;6 cm防水混凝土q2=25×0.06=1.5 kN/m2;合計:q=2.4+1.5=3.9 kN/m2。

可變荷載考慮汽車荷載及溫度荷載,溫度荷載考慮整體升降溫及溫差;活載采用車輛加載。車輛位置按照最不利原則,依據截面影響線確定。

對于上述荷載工況,依據現行規范,在進行抗裂分析、壓應力分析時的組合如下:

抗裂分析:組合Ⅰ:1.0×恒荷載+1.0×鋼束一次+1.0×鋼束二次+1.0×徐變二次+0.7×活載+0.8×正溫差。組合Ⅱ:1.0×恒荷載+1.0×鋼束一次+1.0×鋼束二次+1.0×徐變二次+0.7×活載+0.8×負溫差。

壓應力分析:組合Ⅰ:1.0×恒荷載+1.0×鋼束一次+1.0×鋼束二次+1.0×徐變二次+1.0×1.3×活載+1.0×負溫差。組合Ⅱ:1.0×恒荷載+1.0×鋼束一次+1.0×鋼束二次+1.0×收縮二次+1.0×1.3×活載+1.0×正溫差。

4 抗裂分析

抗裂分析時,選取的控制截面如圖3所示,圖4為特征控制截面3及截面7在組合Ⅰ,組合Ⅱ最不利情況下的應力云圖。

從圖4可以看出,特征截面在抗裂分析組合Ⅰ和Ⅱ的作用下,橫向的拉應力未超過1 MPa,依據現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》,截面的拉應力狀態滿足短期組合作用下的應力驗算要求(容許值1.855 MPa)。

5 壓應力分析

圖5為特征控制截面3和截面7在壓應力組合Ⅰ,組合Ⅱ最不利情況下的應力云圖,從結果可知,橫向壓應力未超過6 MPa,依據現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》,截面的壓應力狀態滿足構件的應力驗算要求(容許值16.2 MPa)。

6 兩箱之間橋面板在集中荷載作用下的受力研究

箱內橋面板可按單向板設計,對于兩箱之間加肋橋面板,由于小橫梁的加勁作用,使得橋面板的受力特性變得復雜,有必要對其受力特性進行研究。

1)在集中力作用下的應力分布。圖6(a),圖6(b)是加肋橋面板在集中荷載作用下的Mises應力云圖,從圖6看出,Mises應力沿橋縱、橫向的分布形態基本一致,因此,兩箱梁中間的加肋橋面板有著雙向受力特性[2]。

圖7(a),圖7(b)是加肋橋面板沿橫橋向的正應力云圖,圖7(c),圖7(d)是加肋橋面板沿縱橋向的正應力云圖。縱、橫向應力云圖數值分布范圍基本一致,橫橋向分布為-9.07 MPa～7.04 MPa之間,縱橋向分布為-9.50 MPa～7.80 MPa之間,進一步說明了兩箱之間加肋橋面板雙向受力特性。

從圖7(a),圖7(b)可以看出,加勁小橫梁中間部位在荷載的作用下產生較大的橫向應力數值,說明加勁小橫梁參與了橋面板橫向整體受力,從圖7(c),圖7(d)可以看出,加勁小橫梁向縱向應力數值較小,說明加勁小橫梁是單向受力構件,起到箱之間橋面板的邊界約束的作用。

2)在集中力作用下極限承載力探討。本文在進行箱梁間加勁橋面板的承載力分析探討時,進行了一定簡化,簡化思路如下:根據橋面板在集中荷載作用下應力分析,找到其零彎點,并將這一節段截取出,按4邊簡支邊界進行承載力分析。縱橋、橫橋向的截取范圍及簡化后的有限元模型如圖8所示。鋼筋的材料模型取為理想彈塑性模型,取普通鋼筋的屈服強度為335 MPa,預應力鋼筋的屈服強度為1 470 MPa。混凝土的材料模型采用Abaqus軟件中的塑性損傷模型,具體參見文獻[3]。

從圖9(a)的荷載位移曲線可以看出,橋面板在集中荷載的作用下的彈性極限承載為87.1 t,按照現行《公路橋涵設計通用規范》規定,重車的軸重為14 t,雙軸為28 t,因此兩箱之間橋面板有足夠大的安全系數。

從圖9(b)可以看出,在跨中位移約為25 mm時,縱橫向的跨中普通鋼筋均已達到屈服狀態,若以此判定橋面板達到極限承載力的標準,此時橋面板承受集中荷載約為200 t,極限承載力是彈性極限荷載的2.5倍。

從圖9(c)可以看出,在橋面板達到極限承載力時,預應力鋼筋的最大應力為1 265 MPa,未達到屈服強度。

7 結論

本文通過以上分析,得到如下的結論:1)某大跨超寬波形鋼腹板橋橫向受力滿足規范要求;2)某大跨超寬波形鋼腹板橋箱間加肋橋面板呈現雙向受力特性;箱間加勁肋為橫向受力構件,起到橋面板的剛性邊界約束作用;3)通過彈塑性分析表明,箱間的加肋橋面板安全性儲備高,延性好。