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      基于AASHTO 規(guī)范的混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2021-04-08 02:05:48韓雄剛
      城市道橋與防洪 2021年3期
      關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)規(guī)范撓度預(yù)應(yīng)力

      韓雄剛

      (中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,天津市 300000)

      0 引 言

      美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 2017-8th Edition(簡(jiǎn)稱(chēng) AASHTO LRFD 規(guī)范)為目前現(xiàn)行美國(guó)橋梁設(shè)計(jì)的最新規(guī)范,相比之前版本有較大變化,我國(guó)現(xiàn)行《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》(JTG 3362—2018)許多條文均參考了AASHTO LRFD 規(guī)范。很多國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院對(duì)于按照AASHTO LRFD 規(guī)范設(shè)計(jì)橋梁還比較陌生,且用美標(biāo)設(shè)計(jì)橋梁存在許多難點(diǎn)。本文通過(guò)按美標(biāo)設(shè)計(jì)T 梁的流程來(lái)介紹AASHTO LRFD 規(guī)范,以期為國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院走出國(guó)門(mén)、承攬按美標(biāo)設(shè)計(jì)的橋梁項(xiàng)目提供技術(shù)參考和借鑒。

      1 工程概況

      本工程為某高速公路項(xiàng)目,標(biāo)準(zhǔn)跨徑以30 m 簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)為主,上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁,橋梁全寬20.56 m,橫橋向由6 片中梁和2 片邊梁組成,橫向設(shè)置2 道端橫隔板和3 道中橫隔板,間距7.04 m。梁頂設(shè)置2.5%橫坡,梁底水平。梁高1.7 m,跨中腹板厚0.2 m,支點(diǎn)腹板厚0.5 m,翼緣厚度為0.25 m~0.16 m,馬蹄寬度為0.5 m,濕接縫寬度為0.6 m,懸臂長(zhǎng)為1.08 m,中梁和邊梁的T 梁斷面見(jiàn)圖1。

      2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

      (1)AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 2017-8th Edition(美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范-第 8 版,簡(jiǎn)稱(chēng) AASHTO LRFD 規(guī)范)。

      圖1 中梁和邊梁斷面(單位:mm)

      (2)Standard Specifications for Highway Bridges 2012,17th Edition(美國(guó)高速公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范2012,第 17 版)。

      (3)AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design—2015(美國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范—2015)。

      (4)LRFDBridgeConstructionSpecifications2017-4th Edition(美國(guó)橋梁施工技術(shù)規(guī)范-第4 版)。

      (5)Standard Specification for Structural Steel for Bridges 2015(2015 美國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)用鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范)。

      (6)ASTM A615/A 615M—2016(美國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范—2016)。

      (7)ASTM A416/ A416M—2017(美國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范—2017)。

      (8)ACI318M—2005(美國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范—2005)。

      3 設(shè)計(jì)材料

      3.1 混凝土材料

      混凝土材料指標(biāo)按AASHTO LRFD 規(guī)范取值,見(jiàn)表1。

      表1 混凝土材料指標(biāo)表

      3.2 鋼筋

      鋼筋需要滿足 AASHTO M31(ASTM A615—2016)60 級(jí)的相關(guān)規(guī)定,可焊接鋼筋的屈服強(qiáng)度至少414 MPa,鋼筋須為可焊接鋼筋,鋼筋焊接應(yīng)遵守ANSI/AWS 規(guī)定。

      3.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋

      本工程采用滿足AASHTO M203(ASTM A416—2017)規(guī)定的無(wú)涂層、低松弛的7 絲鋼絞線,其極限抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量基于公稱(chēng)橫截面面積,可取為197 000 MPa,張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。

      4 設(shè)計(jì)荷載

      4.1 恒載

      4.1.1 自重(DC)

      根據(jù)AASHTO LRFD 規(guī)范第3.5.1 條表3.5.1-1,素混凝土容重取γ=24.0 kN/m3,鋼筋混凝土的重量考慮鋼筋及其他影響,取γ=26.0 kN/m3。

      4.1.2 二期橋面鋪裝(DW)

      瀝青混凝土容重取γ=23.0 kN/m3,防水混凝土容重取γ=26.0 kN/m3,鋪裝層荷載為3.23 kN/m2。防撞護(hù)欄按10.4 kN/m 計(jì)。

      4.2 汽車(chē)活載(LL)

      AASHTO LRFD 規(guī)范將作用在橋面和附屬結(jié)構(gòu)上的汽車(chē)荷載定名為HL-93,包括以下3 種情況:

      (1)3 軸貨車(chē)荷載(35 kN、145 kN、145 kN)。

      (2)設(shè)計(jì)雙軸(110 kN,軸距 1.2 m)。

      (3)車(chē)道荷載(9.34 kN/m,車(chē)道寬 3 m)。

      設(shè)計(jì)貨車(chē)或雙軸的靜力效應(yīng)(不包括離心力及制動(dòng)力)考慮動(dòng)荷載增計(jì)值。

      4.3 整體溫度

      橋梁整體溫度計(jì)算分整體升溫和整體降溫,整體溫差引起的內(nèi)力按AASHTO LRFD 規(guī)范采用下式計(jì)算:

      式中:ΔT 為溫度變化引起的位移;α 為線膨脹系數(shù);L 為橋梁一聯(lián)全長(zhǎng);TMaxDesign為設(shè)計(jì)最高溫度;TMinDesign為設(shè)計(jì)最低溫度;TMaxDesign與TMinDesign根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁卮_定。

      4.4 溫度梯度

      計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)由于梯度溫度引起的效應(yīng)時(shí),需根據(jù)橋梁所處區(qū)域查表確定正溫度梯度最高和最低溫度,或根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件確定。

      負(fù)溫度梯度由正溫度梯度乘以系數(shù)確定,該系數(shù)根據(jù)橋面鋪裝層確定:混凝土鋪裝時(shí)取-0.3,瀝青混凝土鋪裝時(shí)取-0.2。

      4.5 疲勞荷載

      疲勞荷載應(yīng)按AASHTO LRFD 規(guī)范規(guī)定的1 輛設(shè)計(jì)貨車(chē)或其各軸確定,但2 個(gè)145 kN 軸之間的間距為恒值9 m,汽車(chē)荷載應(yīng)考慮動(dòng)荷載增計(jì)值。

      5 驗(yàn)算過(guò)程

      根據(jù)AASHTO LRFD 規(guī)范,各極限狀態(tài)分別為:強(qiáng)度極限組合I~Ⅳ、使用極限狀態(tài)I~Ⅳ、疲勞極限狀態(tài)I~Ⅱ和偶然極限狀態(tài)I~Ⅱ,比我國(guó)現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)的極限狀態(tài)要多一個(gè)疲勞極限狀態(tài)。

      結(jié)合橋梁圖紙,采用CSI Bridge 美國(guó)本土橋梁設(shè)計(jì)軟件建立1×30 m T 梁有限元模型,模型中有630 個(gè)節(jié)點(diǎn),16 個(gè)框架單元,24 根鋼束和 259 個(gè)殼單元。軟件內(nèi)部提供了按AASHTO LRFD 規(guī)范或按有限元模型計(jì)算橫向分布系數(shù)的方法,由于按A ASHTO LRFD 規(guī)范計(jì)算橫向分布系數(shù)有其局限性,所以此次計(jì)算采用有限元模型來(lái)計(jì)算橫向分布系數(shù)[1]。將荷載和邊界條件施加到有限元模型上以后,就可以對(duì)模型進(jìn)行求解并按AASHTO LRFD 規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。

      5.1 疲勞極限狀態(tài)驗(yàn)算

      疲勞極限狀態(tài)組合0.8(LL+IM)(其中LL 為汽車(chē)荷載效應(yīng),IM 為汽車(chē)荷載增計(jì)值)下,主梁的彎矩為 0.8×(1 018.4+0.33×1 018.4)=1 083.6 kN·m;預(yù)應(yīng)力應(yīng)力幅為119.4 MPa<125 MPa(125 MPa 為AASHTO LRFD 規(guī)范中 5.5.3.3 條的指標(biāo))。

      5.2 抗彎驗(yàn)算

      針對(duì)各梁最大彎矩,采用CSI Bridge 軟件的驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

      圖2 中陰影部分為最大和最小荷載效應(yīng),上下2條邊界線為結(jié)構(gòu)實(shí)際抗力線;陰影部分位于上下抗力線內(nèi)部,說(shuō)明結(jié)構(gòu)滿足AASHTO LRFD 規(guī)范要求。

      圖2 上部T 梁正截面抗彎承載能力結(jié)果圖形

      5.3 抗剪計(jì)算

      針對(duì)各梁剪力,采用CSI Bridge 軟件的驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖3(圖中D/C 為剪力效應(yīng)與抗力的比值)。

      圖3 上部T 梁抗剪結(jié)果圖形

      由圖3 可見(jiàn),D/C 最大值為0.359 6,最小值為0.062,均小于1,滿足AASHTO LRFD 規(guī)范要求。

      5.4 使用極限狀態(tài)下抗裂驗(yàn)算

      T 梁頂部拉應(yīng)力驗(yàn)算見(jiàn)圖4,T 梁底部拉應(yīng)力驗(yàn)算見(jiàn)圖5。

      圖4 T 梁頂部拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果圖形

      圖5 T 梁底部拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果圖形

      由圖4 可知,T 梁頂部最大拉應(yīng)力為0.312 7 MPa,最大壓應(yīng)力為4.629 MPa,均介于上下限值以?xún)?nèi),滿足AASHTO LRFD 規(guī)范要求。

      由圖5 可知,T 梁底部最大拉應(yīng)力為0.808 3 MPa,最大壓應(yīng)力為9.44 MPa,均介于上下限值以?xún)?nèi),滿足AASHTO LRFD 規(guī)范要求。

      5.5 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力驗(yàn)算

      中梁和邊梁的有效預(yù)應(yīng)力驗(yàn)算見(jiàn)表2。

      由表2 可知:邊梁和中梁的N1、N2、N3 鋼束有效預(yù)應(yīng)力均小于AASHTO LRFD 規(guī)范所規(guī)定的0.72 fpu=1 339.2 MPa(fpu為抗拉強(qiáng)度),滿足該規(guī)范要求。

      5.6 撓度驗(yàn)算

      活載撓度根據(jù)AASHTO LRFD 規(guī)范計(jì)算,上部結(jié)構(gòu)撓度見(jiàn)圖6。

      圖6 上部結(jié)構(gòu)撓度圖(單位:mm)

      由圖6 可見(jiàn),上部結(jié)構(gòu)最大撓度為22.1 mm,小于 AASHTO LRFD 規(guī)范規(guī)定的 L/800=36.4 mm 限值,滿足AASHTO LRFD 規(guī)范要求。

      6 結(jié) 語(yǔ)

      從材料、荷載、荷載組合及驗(yàn)算項(xiàng)目等方面對(duì)現(xiàn)行AASHTO LRFD 規(guī)范進(jìn)行了介紹,并采用美國(guó)本土橋梁設(shè)計(jì)軟件CSI Bridge 分析驗(yàn)算了1 座1×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),美標(biāo)橋梁的設(shè)計(jì)流程與國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)流程基本一致,最大區(qū)別在于材料指標(biāo)取值的不同,而對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)需要控制的主要因素基本相同。美國(guó)現(xiàn)行AASHTO LRFD 規(guī)范較我國(guó)現(xiàn)行《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》在橋梁各部位的控制指標(biāo)上更加全面和細(xì)致,值得學(xué)習(xí)借鑒。

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