大跨度槽型组合梁结构设计合理性验算分析

吴晓华

(广西壮族自治区南宁江北公路养护中心,广西 南宁 530001)

0 引言

高速公路建设中,桥梁大多以中小跨径装配式预应力混凝土结构为主,当桥梁跨越深沟、既有高速公路时,受地形地质条件影响,必然采用大跨度结构形式,而钢结构具有承载能力高、施工便捷等突出优势,通常作为首选结构。钢混组合结构力学性能优于钢结构,相同跨径可降低梁高,同时桥面板混凝土施工时可依托钢作为底模,因此钢混组合结构具有广阔的应用前景。在欧美、日韩等发达国家中,钢混组合桥梁占比大,桥梁施工质量易于控制,更加重视低碳环保理念,而国内钢混组合桥梁的发展历程较短,应用规模相对较小,对于该类桥型的相关研究也有待进一步提升。

钢混组合梁钢结构部分通常包括钢箱、钢桁、钢板等形式,桥面板大多采用预制施工,预制板通过湿接缝连接成整体,施工速度较快。在钢箱组合梁中,将钢箱上翼缘设置为开口形式的槽型组合梁出现较晚。李杰等[1]对钢混组合梁的应用现状、发展趋势和关键性技术问题进行了阐述;郭飞等[2]从钢箱组合梁角度入手,构思了一种新型槽型组合梁结构形式并对施工过程进行了重点分析;王浩[3]通过模型试验手段研究了波形钢腹板槽型组合梁静力和疲劳性能;陈刚[4]经多方案比选,对推荐方案大跨径钢桁-槽型梁组合结构桥构造特点、受力性能和施工工艺进行了可行性研究;左一泽等[5]通过实体节段有限元模型分析了槽型双箱组合梁斜拉桥桥面板的有效宽度。目前,关于槽型组合梁的相关研究不够系统和深入,大多停留在方案设计与施工工艺方面,对于特定跨径槽型组合梁整体设计参数的介绍和结构计算分析上缺少一定的研究。本文通过实际工程案例,对50 m大跨径简支槽型组合梁设计参数和计算情况进行详细阐述,以提高桥梁设计人员对于槽型组合梁的认识。

1 结构设计

某车行天桥上跨高速公路,为避免在高速公路中分带落墩,降低运营高速安全风险,经桥型方案比选后,采用一跨50 m大跨径槽型组合梁跨越高速公路。车行天桥主要技术标准为:(1)单向双车道设计,桥梁总宽13 950 mm;(2)设计速度100 km/h;(3)荷载等级为公路-Ⅰ级;(4)地震动峰值加速度为0.05 g。结构按分离式两箱槽型梁设计,组合梁总高3 000 mm,高跨比为1/16.7,其中槽型梁高度2 600 mm,与槽型梁连接处的桥面板混凝土厚度400 mm,桥面板混凝土横向跨中厚度260 mm,按照钢筋混凝土构件设计。由于跨径较大,为适应受力需要,槽型梁纵向划分为5个梁段,标准横断面和梁段划分情况分别如图1和图2所示。

图1 标准横断面图(mm)

图2 梁段划分示意图

主要设计参数如下:梁段1长度为9 500 mm,上翼缘、腹板和底板厚度分别为26 mm、20 mm和26 mm;梁段2长度为9 000 mm,上翼缘、腹板和底板厚度分别为34 mm、18 mm和32 mm;梁段3长度为12 880 mm,上翼缘、腹板和底板厚度分别为38 mm、18 mm和36 mm。上翼缘宽度为800 mm,下翼缘宽度为2 250 mm,腹板处设置纵、竖向加劲肋。下翼缘设置纵向加劲肋,槽型梁与桥面板混凝土采用焊钉连接,槽型梁内设置框架式横隔板以减轻恒载自重,横梁高度为1 500 mm,横梁与横隔板5 000 mm设置一道。槽型梁及加劲肋采用Q345qD,弹性模量为2.06×105MPa,泊松比为0.31,容重为78.5 kN/m3,计算时考虑1.5%的焊缝重量。桥面板混凝土采用C50,弹性模量为3.45×104MPa,泊松比为0.21,容重为26 kN/m3。桥面铺装设置100 mm厚的沥青混凝土,容重24 kN/m3。护栏按SS级防撞等级设计,单侧荷载集度为12 kN/m。

2 结构纵向计算

槽型组合梁主要施工阶段包括:钢梁架设、吊装预制桥面板并浇筑湿接缝和剪力槽、槽型组合梁形成联合截面、完成桥面系施工并成桥。对于组合梁的整体建模一般采用双层单元法和施工阶段联合截面法,其中施工阶段联合截面更符合实际施工过程并能准确考虑收缩徐变和温度的影响。此处采用施工阶段联合截面法建模,横向连接采用虚拟横梁形式,所建立的纵向模型如图3所示,全桥共140个节点、143个梁单元。

图3 纵向分析有限元模型图

2.1 施工阶段分析

槽型梁钢结构架设后,桥面板混凝土作为湿重时,结构应力较为不利,选取该阶段为关注施工阶段。由于恒载作用下结构对称,取一片槽型梁进行分析,如图4所示。

(a)上翼缘

(b)下翼缘

槽型组合梁形成联合截面前,施工阶段槽型梁上翼缘最大压应力为125.4 MPa,下翼缘最大拉应力为99.4 MPa。形成联合截面前,截面上翼缘受力不利,槽型梁所划分的梁段区间基本满足应力变化规律,施工阶段应力水平相对较低。

为进一步分析永久作用下的结构应力,取桥面系已完成施工、收缩徐变基本完成后为关注阶段,得到此阶段槽型梁应力如图5所示。

(a)上翼缘

(b)下翼缘

永久作用下,槽型梁上翼缘压应力为168.1 MPa,下翼缘应力拉应力为133.6 MPa,较形成联合截面前上翼缘和下翼缘应力分别增加42.7 MPa和34.2 MPa,上翼缘压应力增加较多,应力水平明显增大,应特别关注上翼缘与活载组合后的应力数值,确保满足规范要求。

2.2 成桥阶段分析

大跨径钢混组合梁活载效应占比较大,且随跨径的增加,活载占比也呈增加趋势,因此对成桥阶段基本组合进行分析十分必要。经活载横向位置试算分析,当车道按偏载布置时结构验算最为不利。考虑应急车道的同时作用,按活载三车道偏载与永久作用进行基本组合(其中永久作用系数为1.2,活载系数为1.4)[6],计算得到槽型梁应力如图6所示。

(a)上翼缘

(b)下翼缘

计算结果表明:(1)活载偏载作用下槽型梁上翼缘压应力为206.8 MPa,下翼缘拉应力为220.8 MPa,拉压应力水平均较高,上翼缘与桥面板混凝土连接,不存在压屈稳定问题;(2)考虑活载基本组合后,成桥阶段压应力数值低于拉应力数值,活载使下翼缘拉应力增加87.2 MPa,活载效应增加明显。考虑结构重要性系数1.1后,最大应力为242.9 MPa,低于《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01-2015)承载力270 MPa限值[7]。

3 桥面板横向计算

3.1 活载分布宽度

桥面板为钢筋混凝土结构,横向最大跨径为5.35 m,桥面板横向受力呈现典型单向板特征,计算时,纵向长度取单位长度1 m进行分析,局部加载采用车辆荷载。平行于桥面板跨径方向的活载分布宽度为0.8 m,垂直于桥面板跨径方向的活载分布宽度按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)进行计算[8],考虑前后排车轮(轮距为1.4 mm)对分布宽度的叠加影响,计算结果如图7所示。

图7 垂直桥面板跨径方向分布宽度示意图(mm)

3.2 横向计算结果

根据活载分布宽度计算结果,利用有限元数值模拟软件,建立横向分析模型,如图8所示,共33个节点、32个梁单元。横向分析时钢筋混凝土构件考虑钢筋作用,本次设计在桥面板顶缘以下和底缘以上4 cm处分别配置公称直径为20 mm和16 mm的横向主筋,纵向间距均为120 mm,主筋型号为HRB400。分别得到承载能力极限状态下抗弯承载能力和正常使用状态下裂缝宽度计算结果如图9和图10所示,其中γ为结构重要性系数,Mu,max、Mu,min、Mn,max和Mn,min分别为截面抗弯设计值最大值、抗弯设计值最小值、抗弯容许值最大值和抗弯容许值最小值,模型单元连续编号,横坐标取单元编号的J端。

图8 横向分析有限元模型图

图9 抗弯承载能力计算结果曲线图

图10 裂缝宽度计算结果曲线图

桥面板中跨跨中和中支点(槽型梁靠近中跨上翼缘与桥面板连接处)截面抗弯承载力安全富裕度基本相当,分别为2.1和1.7。中跨跨中截面底缘裂缝宽度为0.074 mm,中支点截面顶缘裂缝宽度为0.095 mm,均小于规范限值0.2 mm。以上结果表明桥面板配筋合理可行,中跨跨中和剪力键处的桥面板厚度选取得当,整体材料较为经济。

4 结语

本文以某高速公路50 m跨径槽型组合梁为研究对象,基于有限元数值模拟软件,分别建立了纵、横向分析模型,主要结论如下:

(1)槽型梁施工阶段上翼缘应力较为不利,当考虑活载后,下翼缘应力增加较快,但整体而言,上、下翼缘在成桥状态下应力水平均较高。当跨径较大时,应对槽型梁纵向划分多个梁段,必要时跨中梁段可选取高强度等级的钢材。

(2)桥面板混凝土呈现多点弹性支承连续梁受力特征,由于中跨跨径相对较大,靠近中跨的剪力键处截面负弯矩较为不利。结构设计时应结合桥面板承载能力和裂缝宽度计算结果确定不同位置的桥面板厚度和钢筋型号。