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      鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋鋼箱長度參數(shù)研究*

      2012-06-19 05:13:04何雄君
      關(guān)鍵詞:鋼箱鋼混鋼箱梁

      丁 威 何雄君

      (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

      0 引 言

      鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋是借鑒鋼-混凝土疊合梁橋技術(shù)發(fā)展起來的,使之成為更加適宜平原區(qū)通航河道推廣應(yīng)用的新型橋梁結(jié)構(gòu).它將承受正彎矩部分采用鋼結(jié)構(gòu),而承受負(fù)彎矩部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮2種材料不同的物理力學(xué)性能特點(diǎn),最大限度地追求高性能、低造價(jià)[1],形成強(qiáng)度高、剛度大、動(dòng)力性能好的結(jié)構(gòu)形式,可以減少自重,降低造價(jià),節(jié)約模板并減少支模工序從而縮短施工周期.不僅可以很好地滿足結(jié)構(gòu)的功能要求,而且還具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,在橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[2].

      關(guān)于鋼箱長度的選擇,確定鋼箱與混凝土箱梁相結(jié)合的位置是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).鋼和混凝土這兩種材料相互結(jié)合,易引起界面滑移、豎向掀起[3],故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求能比較流暢地傳遞各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力及變形.另外結(jié)合部位置應(yīng)具有良好的抗疲勞性和耐久性,在外形上也要求鋼箱梁和混凝土箱梁的過渡比較柔和一致.本文以浙江318國道長橋大橋——三跨預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋?yàn)槔?,采用MIDAS/Civil軟件建立了不同的鋼箱長度參數(shù)的模型,計(jì)算分析了恒載與活載下的關(guān)鍵截面隨鋼箱長度參數(shù)變化的力學(xué)特征,研究了反彎點(diǎn)位置隨鋼箱長度參數(shù)變化的規(guī)律,得到一些合理選擇鋼箱長度參數(shù),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一些結(jié)論.

      1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

      主橋上部結(jié)構(gòu)采用45m+80m+45m 變截面鋼混合連續(xù)箱梁(見圖1),主跨為65m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁+40m 鋼梁+65m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁.其中:跨中40 m 鋼梁(橫斷面圖見圖2),梁高均為1.5m,縱向分5片工廠化制作,邊箱寬度為2.75m,次邊箱寬度為2.174m,中箱寬度為2.202m,現(xiàn)場吊裝焊接;預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁高度按二次拋物線變化,主墩支點(diǎn)處梁高4.5m,邊墩支點(diǎn)處梁高1.7m,中跨與鋼箱梁相接處梁高1.5m,采用單箱雙室斷面,頂寬12.25m,底寬8.75m,懸臂長1.75m.設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為:公路I級(jí),抗震設(shè)防烈度為IV 度.

      圖1 318國道長橋大橋主橋立面圖(尺寸單位:cm)

      圖2 318國道長橋大橋鋼箱梁橫斷面圖(單位:mm)

      G318國道長橋大橋鋼混結(jié)合段采用設(shè)置鋼接頭實(shí)現(xiàn)干接法連接,其具體結(jié)構(gòu)見圖3、圖4.

      圖3 G318國道長橋大橋鋼混連接構(gòu)造圖

      圖4 鋼接頭構(gòu)造圖

      通過制作鋼接頭,并將鋼接頭預(yù)埋至混凝土箱梁中跨懸臂端,實(shí)現(xiàn)混凝土箱梁與鋼箱梁之間焊接連接.

      2 理論分析

      假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為等截面梁,將其中跨分成3等份,每份長26.67 m.假定只考慮自重效應(yīng),跨中部分的自重集度為P1,其余部分的集度為P2[4],見圖5.

      可以計(jì)算出跨中支點(diǎn)處負(fù)彎矩為186.8P1+270.1P2,跨中截面正彎矩為257.7P1+85.4P2,而鋼箱梁的重量大約相當(dāng)于等效混凝土梁重量的30%,支點(diǎn)負(fù)彎矩和跨中正彎矩將會(huì)減小大約1/3,對(duì)大跨徑的混凝土橋梁來說,降低1/3的負(fù)彎矩(中間2支座處)是非常有利的.

      基于上述理由,跨中鋼梁越長,中間兩支座處負(fù)彎矩絕對(duì)值越小,增大了中跨的跨越能力,但是鋼箱梁的造價(jià)遠(yuǎn)高于混凝土梁,如果再考慮造價(jià)因素,從理論上可以估算出鋼箱梁節(jié)段的合理長度.

      圖5 跨中鋼箱的合理長度(單位:m)

      3 數(shù)值分析

      3.1 計(jì)算模型

      結(jié)合現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[5-6],以桿系理論為基礎(chǔ),采用通用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.本文只針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析研究,故只對(duì)上部結(jié)構(gòu)建模,不考慮下部結(jié)構(gòu).每個(gè)模型由172個(gè)節(jié)點(diǎn),93個(gè)單元組成.主梁采用C50混凝土,預(yù)應(yīng)力采用1860 MPa鋼絞線.模型計(jì)算時(shí)荷載包括梁的自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、活荷載等.結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖6.

      圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

      3.2 鋼箱長度參數(shù)選擇

      由于鋼混連接處是結(jié)構(gòu)的薄弱部位,因此它應(yīng)位于中跨彎矩反彎點(diǎn)附近(彎矩較?。?,即鋼箱端部應(yīng)離中跨彎矩反彎點(diǎn)不遠(yuǎn).另一方面,根據(jù)上面的理論分析,鋼箱梁長度的確定,應(yīng)使中間兩支座處負(fù)彎矩及中跨跨中正彎矩絕對(duì)值較小,滿足所要求的中跨跨越能力.這是鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋鋼箱長度參數(shù)的確定原則.

      通過對(duì)原始模型的鋼箱長度參數(shù)做一些改變,考慮鋼箱長度取為主跨(80 m)的0.4~0.6之間變化,按32,36,37,38,39,40,41,42,43,44,48m 這一系列不同的鋼箱長度參數(shù)進(jìn)行變化,其他參數(shù)均相同.由此分別建立了11個(gè)類似于如圖5所示的計(jì)算模型來探討3 跨鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋中跨鋼箱長度參數(shù)規(guī)律.

      3.3 恒載、活載彎矩隨鋼箱長度參數(shù)變化規(guī)律

      這里恒載包括自重、二期荷載、混凝土收縮徐變作用、次內(nèi)力效應(yīng)作用.活荷載主要針對(duì)的是車輛荷載作用,不考慮其偏心作用.恒載作用下結(jié)構(gòu)的彎矩形狀見圖7.研究的重點(diǎn)放在鋼箱上,僅列出鋼箱梁跨中截面彎矩隨鋼箱長度參數(shù)變化如表1所列[7].

      圖7 主橋結(jié)構(gòu)的彎矩圖

      表1 鋼箱梁跨中截面彎矩隨鋼箱長度參數(shù)變化

      3.4 恒載與組合荷載作用下反彎點(diǎn)位置隨鋼箱長度參數(shù)變化規(guī)律

      中跨結(jié)構(gòu)存在2個(gè)對(duì)稱彎矩零點(diǎn)(即反彎點(diǎn),見圖7).恒載和組合荷載作用下反彎點(diǎn)之間的距離(反彎點(diǎn)間距)隨鋼箱長度參數(shù)變化見表2.反彎點(diǎn)間距也表示鋼箱梁兩反彎點(diǎn)之間的受正彎矩區(qū)域范圍的長度.

      進(jìn)一步,恒載和組合荷載作用下反彎點(diǎn)與鋼箱梁端部的距離(反彎點(diǎn)端距)隨鋼箱長度參數(shù)變化見表3.反彎點(diǎn)端距也表示鋼混連接位置的合理性.

      表2 鋼箱長度參數(shù)變化下2種荷載的反彎點(diǎn)距離 m

      表3 鋼箱長度參數(shù)變化下2種荷載的反彎點(diǎn)端距 m

      根據(jù)表1、表2和表3,綜合分析可知:

      1)從表1來看,鋼箱梁跨中截面恒載彎矩隨鋼箱長度的增大而減小,鋼箱跨中截面活載彎矩隨鋼箱長度的增大而增大,但前者幅度比后者大.即總的來講,鋼箱跨中截面彎矩隨鋼箱長度的增大而減小.這也反證了理論分析的正確性.

      2)表2說明了恒載和組合荷載作用下反彎點(diǎn)間距隨鋼箱長度參數(shù)變化.表3則說明,在鋼箱長度為32 m 時(shí),反彎點(diǎn)與鋼箱梁端部的距離最小,即鋼混連接位置總彎矩最小,便于鋼混連接分析與設(shè)計(jì).但此時(shí)鋼箱梁跨中截面正彎矩與2支點(diǎn)截面的負(fù)彎矩絕對(duì)值卻最大,也就是說中跨跨越能力相對(duì)最小.318國道長橋大橋鋼箱梁選用40m,是同時(shí)綜合考慮反彎點(diǎn)位置與中跨跨越能力所確定的.

      4 結(jié)束語

      鋼箱梁長度是鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù).通過對(duì)鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合連續(xù)箱梁橋的鋼箱長度參數(shù)的研究,分析其力學(xué)特征.在主跨80m 的0.4~0.6倍范圍內(nèi)變化,結(jié)合恒載、活載作用計(jì)算,分析了關(guān)鍵截面處力學(xué)特征與反彎點(diǎn)位置.

      鋼箱長度的確定規(guī)則為:(1)鋼箱端部應(yīng)離中跨彎矩反彎點(diǎn)不遠(yuǎn),使鋼混連接處彎矩較??;(2)應(yīng)使中間兩支座處負(fù)彎矩及中跨跨中正彎矩絕對(duì)值較小,滿足所要求的中跨跨越能力.本文318國道長橋大橋鋼箱梁選用40m,是同時(shí)綜合考慮反彎點(diǎn)位置與中跨跨越能力所確定的應(yīng)用實(shí)例.

      [1]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

      [2]聶建國,劉 明,葉列平.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

      [3]Ayoub A.A force-based model for composite steelconcrete beams with partial interaction[J].Journal of Constructional Steel Research,2005,61(3):387-414.

      [4]唐建華,向中富,馮 強(qiáng),等.特大跨連續(xù)剛構(gòu)橋研究與實(shí)踐:重慶長江大橋復(fù)線橋[M].北京:人民交通出版社,2008.

      [5]中華人民共和國交通部.JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

      [6]中華人民共和國交通部.JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

      [7]吳中鑫,楊 平.鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁抗扭極限分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2010,34(2):362-365.

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