超宽幅预应力混凝土现浇梁设计

王 斐

上海市政工程设计研究总院集团新疆有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000

0 引言

在市政高架桥工程中,由于某些实际需求,会出现工程界并不推荐的超宽幅预应力混凝土现浇梁结构。该种结构受力复杂,计算过程中限制较多,如何快速且较为精准地设计该种类型的市政桥梁是桥梁设计工作者必须面对的问题。

在实际设计工作中,桥梁博士和midas Civil是桥梁工程师常用的2种计算软件,前者只能建立杆系模型,后者可以建立空间梁格模型。桥梁博士有着建模迅速、计算结果直观、修改参数方便等优点,在市政桥梁快速高效的设计工作中有着绝对优势。midas Civil的梁格模型,建模复杂,计算结果准确但不直观,模型调整对设计人员的经验要求高,设计过程繁琐。

由于工程进度原因,本文的工程案例先采用桥梁博士软件进行设计,后期采用midas Civil梁格模型进行校对,通过不同软件的计算来验证设计结果的准确性,验证桥梁博士软件在合理的假设条件下计算超宽幅预应力混凝土现浇梁的可行性。

1 工程概况

乌鲁木齐机场改扩建工程T4航站楼配套交通枢纽,桥梁方面主要为循环道路高架。为满足机场未来运营交通通畅,高架系统按双层逆时针环航站楼布置,桥宽种类多。在此背景下,选取航站楼入口与高架相交处梁段(该段为落客平台,桥宽41.5 m)为研究对象,对宽幅箱梁的布置和结构进行设计。

2 桥型选择

宽幅桥通常采用分幅设计和整幅设计2种情况。为使地面道路得到充分使用,落客平台下部采用间距为23.25 m双立柱结构,落客平台范围内高架均采取整幅设计[1]。综合考虑到机场高架枢纽线型复杂、梁宽多变、美观要求等因素,上部构造选择美观性较强的斜腹板预应力砼大箱梁。

3 结构设计

3.1 箱梁构造设计

落客平台上设置与航站楼相配套的雨棚,本文选取雨棚荷载最大的一联桥(直线,跨径为2 m×30 m)为例,详述结构设计。箱梁平面布置及车道分布见图1,梁格模型及雨棚立柱位置见图2。

单位：m

单位：kN

截面为单箱八室,箱梁高1.8 m,梁顶宽41.35 m,梁底宽33.35 m,两侧挑臂长3.5 m,中横梁处局部加高至2.2 m。雨棚立柱位于道路设计中心线上,雨棚立柱处箱梁内部设置雨棚横隔板,横隔板连接相邻四道中腹板,箱梁采用C50高性能混凝土浇筑。

3.2 箱梁计算

本文计算箱梁过宽、活荷载横向分布不均匀且纵向有不均匀集中荷载(雨棚荷载)。设计前期采用桥梁博士进行主梁纵向计算和横梁计算,用计算结果完成设计;后期采用midas Civil建立梁格模型进行纵向计算,复核设计的准确性。

3.2.1 桥梁博士纵向计算

结构总体静力计算采用桥梁博士3.5.0计算软件建立梁单元模型。截面抗裂验算按预应力混凝土A类构件控制,分析时根据施工工序划分为4个施工阶段：成桥、张拉预应力、二期恒载、收缩徐变。车辆荷载选用城A级,人群荷载集度为3 kN/m2。根据以往工作经验以及查阅一些相关文献,偏载系数保守取值为1.26[2]。为简化计算,将雨棚荷载中的恒载和活载等效成恒载以竖向集中力的形式加载于成桥阶段。图2中沿墩号前进方向,雨棚等效荷载大小分别为1 500、1 500、1 800 kN。

该桥的实际情况如下。①桥梁宽度较大,汽车荷载、人群荷载、雨棚荷载横向分布不均匀,这些外荷载并不能被9道腹板均匀承担。②理想状态下,通过雨棚横隔板雨棚荷载被紧邻的4道腹板均匀承担。③实际工程中,箱梁顶、底板具有一定横向刚度,会将雨棚荷载以及其它外载不均匀地传递到每一道腹板上。④桥梁博士的计算结果无法显示横截面横向应力不均匀的情况。

综合以上因素,本次桥梁博士计算人为地分成4种假设情况：对比组,无雨棚荷载;为计算横梁提供纵向荷载数据,雨棚荷载按等效荷载加载;为计算最不利情况,雨棚等效荷载扩大2.25倍加载(4×2.25=9);考虑到横向活载分布的不均匀以及顶底板力的传递作用,结合第2种假设情况的计算结果,将雨棚等效荷载扩大1.5倍加载,以此来弥补桥梁博士计算中个别腹板实际内力大于理论计算值的情况。经过计算并按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》进行荷载组合以及强度、挠度验算,将结果与JTG 3362—2015《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》相应条文对比[3],4组计算结果(见表1),具体分析如下。

表1 桥梁博士主要纵向计算结果 (应力及弯矩)

3.2.1.1 无雨棚荷载

钢束布置：腹板钢束均为12-Øs15.2,顶板钢束均为9-Øs15.2,底板钢束均为7-Øs15.2。由计算结果可以看出,在无雨棚荷载情况下,纵向主梁各截面正截面在各种荷载组合下混凝土应力和抗弯承载力均满足规范要求,此种情况的配束方案过于保守[4]。

3.2.1.2 雨棚荷载按1.0倍等效荷载加载

钢束布置同对比组。由计算结果可以看出,雨棚荷载对计算结果影响较为明显。该组计算主要是为计算横梁提供数据,其余情况不再分析。

3.2.1.3 雨棚荷载按2.25倍等效荷载加载

钢束布置：腹板钢束均为15-Øs15.2,顶底板钢束布置同对比组。为了计算出和雨棚横隔板相连的4道腹板理想情况下的工作应力,将雨棚荷载按2.25倍等效荷载加载。计算结果同组1对比,在雨棚等效荷载的作用下在中支点处主拉应力增加了40.2%,跨中主压应力几乎不变,中支点主压应力降低了4.8%;雨棚等效荷载作用下第1跨跨中产生的弯矩增大7.6%,中支点处负弯矩增大17.3%,腹板钢束加粗使跨中抵抗弯矩增大11.6%,中支点抵抗弯矩增大7.6%。从对比数据可以看出,腹板钢束加粗对抵抗弯矩的增长有明显效果,由于雨棚荷载的增加导致中支点剪力增大,主拉应力增大,致使中支点成为应力控制截面。从整体效果看,在满足规范要求的情况下,腹板钢束的增加量和雨棚荷载产生的效应能较好地相互抵消,此种配束方案较为合理。

3.2.1.4 雨棚荷载按1.5倍等效荷载加载

钢束布置同对比组。计算结果同组1对比,从应力可以看出,雨棚荷载的增加对正应力与主压应力影响不大,对主拉应力影响较大;从抵抗弯矩中可以看出,在1.5倍等效荷载加载的情况下,此种配束方式比较合理,抵抗弯矩可以较好地包络住设计弯矩。

由计算结果可知,4组计算中各钢束的最大使用应力和持久状况正常使用极限状态挠度均符合规范要求。

3.2.2 midas Civil纵向计算

采用梁单元建立空间梁格模型,设置9道纵向主梁,虚拟横梁间隔2 m,雨棚横隔板按实际尺寸与位置建立。钢束布置：雨棚相关腹板(主梁4～7,编号由下向上排列)钢束为15-Øs15.2,其余腹板钢束为12-Øs15.2,顶板钢束均为9-Øs15.2,底板钢束均为7-Øs15.2,未加横梁钢束。恒载及活载均按照实际位置加载,材料及活载取值情况与桥梁博士一致(车道荷载没有乘偏载系数)。经过计算并按照JTG D60—2015,公路桥涵设计通用规范进行荷载组合,计算结果及分析如下。

梁格模型只对桥梁纵向进行分析,表2～3中记载了主要计算结果。从表2中主拉应力可以看出,midas Civil计算出的主拉应力与桥梁博士的结果有很大不同,在剪力极大的地方主拉应力会超过规范要求,其他位置均满足规范要求。从主压应力数据可以看出,主梁4～7的主压应力明显大于其他主梁,9道主梁计算结果均满足规范要求。将表2中剪力数据经过简单的计算(截面左侧剪力之和减去截面右侧剪力之和)可以得出结论：雨棚荷载被主梁4～7完全承担,这完全符合设计雨棚横隔板的假设;由其他腹板上的剪力数据可以得出,顶底板刚度相对于腹板刚度过于薄弱,在雨棚集中荷载的情况下产生反向翘曲,使其余5道腹板中产生的剪力为负[5]。由表3可知,此配束方案对于主梁4～7较为合理,对于其他主梁稍显保守。

由表3数据可以看出,因为midas Civil模型的结果并不是同一工况下,所以2种模型的计算结果有一定的出入,但能证明各种荷载会由相近主梁承担,在此不做深入探讨。由表3数据可以得出以下结论。

1)恒荷载弯矩：仅在恒载作用下,单箱多室现浇梁临近支座的腹板会承担较大的荷载。

2)雨棚截面荷载剪力：雨棚荷载主要由主梁4～7承担。

3)汽车荷载弯矩和人群荷载弯矩：仅有活载的情况下,挑臂上的活荷载主要由边腹板承担。

4)由所有外荷载数据可以看出,主梁内力的分布与外载的横向分布是一致的,这与桥梁博士计算的假设一致,又根据表2的数据可知,桥梁博士的4种假设及计算的数据是合理的。

4 结论

综合对比桥梁博士与midas Civil的计算结果得出以下结论。

1)由于活载横向分布不均匀,致使2种模型计算结果有一定的差异,但是差异性不大,计算结果均满足规范要求。

2) midas Civil梁格模型验证了该桥梁设计结果的准确性,证明了桥梁博士软件在合理的假设条件下计算超宽幅预应力混凝土现浇梁是安全可靠的。