◎楊建強 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司鄭州分院
T型剛構(gòu)橋具有良好的整體性,較強的結(jié)構(gòu)剛度,節(jié)省材料且施工簡便等優(yōu)點。同常規(guī)連續(xù)梁不同之處在于T型剛構(gòu)橋于抗震方面有較大的提高,在梁體變形方面更為平緩,提高了行車的舒適性且后期養(yǎng)護方便。另外,T型剛構(gòu)橋采用墩梁固結(jié),能夠抵消溫度變化、混凝土收縮徐變及施工誤差等不利因素產(chǎn)生的不平衡彎矩,由此在設(shè)計方面難度有所提高,施工方面更需嚴格把控。在跨越山川河流等不易支架澆筑的復(fù)雜地形路段,為便于施工多采用節(jié)段懸澆。在施工過程中,需采用特殊設(shè)計的掛籃結(jié)構(gòu)進行加工,同時需要兩側(cè)同步同質(zhì)量進行施工,以保證對稱受力,避免產(chǎn)生不平衡彎矩。針對大跨結(jié)構(gòu)的需求,高強材質(zhì)及施工精度等方面發(fā)展進步迅速,相應(yīng)對設(shè)計師本身的要求、計算軟件的合理性與復(fù)雜性以及施工質(zhì)量的提升,均得以深入發(fā)展與創(chuàng)新。
本篇文章通過某工程應(yīng)用實例,以(64+64)m預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂澆筑T 型剛構(gòu)橋作為分析對象,利用midas Civil和橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS兩種有限元分析軟件,對比總結(jié)T型剛構(gòu)橋于結(jié)構(gòu)本身受力及線型結(jié)果等的設(shè)計合理性,分析對比節(jié)段懸澆對T型剛構(gòu)橋的力學性能影響,望能夠為本行業(yè)同仁于類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論參考。
杭州某一鐵路T型剛構(gòu)橋,構(gòu)造跨度為(64+64)m預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂澆筑T型剛構(gòu)橋。防護墻內(nèi)側(cè)橋面凈寬度9.0m,橋上人行道欄桿內(nèi)側(cè)凈寬12.4m,橋面板寬12.6m,橋梁建筑總寬12.93m。
橋梁全長為129.5m,計算跨度為(64+64)m,中支點處梁高7.0m,邊支點梁高4.0m,邊支座中心線至梁端0.75m。梁底下緣按圓曲線變化,圓曲線半徑為333.386m。全聯(lián)共分30個梁段,A0號梁段長度10m;一般梁段分成3.5m、4.0m,邊跨直線段長18.25m,最大懸臂澆筑梁段重1906kN。
梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.6m,箱梁底寬6.7m。頂板厚度40cm;底板厚度40~100cm,按圓曲線變化至中支點梁根部,中支點處加厚到170cm;腹板厚50~90cm,按折線變化。全聯(lián)在端支點及中支點處共設(shè)3個橫隔板(圖1-3)。
圖1 構(gòu)造立面圖(單位:cm)
圖2 A-A斷面圖
圖3 B-B斷面圖
橋墩設(shè)計墩高5.5m,采用圓端形實體橋墩,橋墩縱、橫向均不放坡,縱向尺寸4.0m,橫向尺寸8.7m(其中平直線長度6.7m),基礎(chǔ)采用15根1.5m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(圖4)。
圖4 橋墩基礎(chǔ)構(gòu)造圖
1)設(shè)計速度:350km/h。
2)線路情況:雙線,線間距5.0m。
3)環(huán)境:碳化環(huán)境,作用等級為T2。
4)軌道結(jié)構(gòu)型式:CRTSI型雙塊式無砟軌道。
5)設(shè)計使用年限:正常使用條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命為100年。
6)施工方法:懸灌法施工。
7)地震烈度:地震動峰值加速度Ag=0.05g。
圖5 midas Civil三維有限元模型圖示
圖6 BSAS二維有限元模型圖示
1)混凝土:采用符合《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10092-2017)(以下簡稱“《鐵混規(guī)》”)標準的混凝土材料??v梁采用C50混凝土、墩柱和承臺采用C40混凝土;樁基礎(chǔ)采用C30混凝土。
2)鋼絞線:鋼絞線采用符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》(GB/T 5224-2014)標準的鋼絞線材料。
3)鋼筋:HPB300、HRB400鋼筋分別采用符合《鋼筋混凝土用鋼第1部分:熱軋光圓鋼筋》(GB 1449.1-2017)及《鋼筋混凝土用鋼第 2 部分:熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2-2018)標準的鋼筋材料。
4)波紋管:波紋管采用符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用金屬波紋管》(JG 225-2007)標準的波紋管材料??椎滥ψ柘禂?shù)μ=0.26,孔道偏差系數(shù)k=0.003/m。
1)恒載:混凝土自重取26kN/m;二期根據(jù)橋面布置取140kN/m,基礎(chǔ)變位按1.5cm計算。
2)活載:按鐵路標準的ZK活載計算。
3)溫度:按《鐵混規(guī)》相關(guān)規(guī)定取值。
分別以主力、主力+附加力進行組合,取最不利組合進行計算。
針對本結(jié)構(gòu)分別采用midas Civil 和BSAS兩種軟件對比分析。邊墩梁底邊界約束采用常規(guī)約束建模,中墩基礎(chǔ)底部考慮模擬地基剛度。
Civil:縱梁主力組合作用下,最小強度安全系數(shù)2.35,大于規(guī)范限值2.2;主力+附加力組合作用下,最小強度安全系數(shù)2.29,大于規(guī)范限值1.98;滿足規(guī)范要求。
BSAS:縱梁主力組合作用下,最小強度安全系數(shù)2.37,大于規(guī)范限值2.2;主力+附加力組合作用下,最小強度安全系數(shù)2.31,大于規(guī)范限值1.98;滿足規(guī)范要求。
Civil:縱梁主力組合作用下,最小抗裂安全系數(shù)1.40,大于規(guī)范限值1.2;主力+附加力組合作用下,最小抗裂安全系數(shù)1.25,大于規(guī)范限值1.2;滿足規(guī)范要求。
BSAS:縱梁主力組合作用下,最小抗裂安全系數(shù)1.41,大于規(guī)范限值1.2;主力+附加力組合作用下,最小抗裂安全系數(shù)1.27,大于規(guī)范限值1.2;滿足規(guī)范要求。
Civil:縱梁靜活載最大豎向撓度-13.95mm(向下);靜活載+0.5倍溫度作用最大豎向撓度-14.97mm(向下);0.63倍靜活載+溫度作用最大豎向撓度-10.82mm(向下),均小于規(guī)范限值-1.4×L/1900=-47.2 mm,滿足規(guī)范要求。
BSAS:縱梁靜活載最大豎向撓度-12.10mm(向下);靜活載+0.5倍溫度作用最大豎向撓度-13.01mm(向下);0.63倍靜活載+溫度作用最大豎向撓度-9.47mm(向下),均小于規(guī)范限值-1.4×L/1900=-47.2 mm,滿足規(guī)范要求。
1)正應(yīng)力計算。Civil:縱梁主力組合作用下,最小壓應(yīng)力為1.65 MPa,最大壓應(yīng)力為10.79MPa;主力+附加力組合作用下,最小壓應(yīng)力為0.41MPa,最大壓應(yīng)力為12.99MPa;縱梁上下緣均無拉應(yīng)力出現(xiàn),滿足《鐵混規(guī)》中第7.3.10~7.3.11條規(guī)范要求。
BSAS:縱梁主力組合作用下,最小壓應(yīng)力為1.34MPa,最大壓應(yīng)力為11.08MPa;主力+附加力組合作用下,最小壓應(yīng)力為0.36MPa,最大壓應(yīng)力為12.39MPa;縱梁上下緣均無拉應(yīng)力出現(xiàn),滿足《鐵混規(guī)》中第7.3.10~7.3.11條規(guī)范要求。
2)主應(yīng)力計算。Civil:縱梁主力組合作用下,最大主拉應(yīng)力為1.13 MPa,最大主壓應(yīng)力為10.80MPa;主力+附加力組合作用下,最大主拉應(yīng)力為1.19MPa,最大主壓應(yīng)力為12.99MPa;滿足《鐵混規(guī)》中第7.3.9~7.3.12條規(guī)范要求。
BSAS:縱梁主力組合作用下,最大主拉應(yīng)力為2.36MPa,最大主壓應(yīng)力為12.40MPa;主力+附加力組合作用下,最大主拉應(yīng)力為2.60MPa,最大主壓應(yīng)力為12.75MPa;滿足《鐵混規(guī)》中第7.3.9和第7.3.12條規(guī)范要求。
3)剪應(yīng)力計算。Civil:縱梁主力組合作用下,最大剪應(yīng)力為2.79MPa;主力+附加力組合作用下,最大剪應(yīng)力為2.82MPa;滿足《鐵混規(guī)》中第7.3.15條規(guī)范要求。
BSAS:縱梁主力組合作用下,最大剪應(yīng)力為2.81MPa;主力+附加力組合作用下,最大剪應(yīng)力為2.84MPa;滿足《鐵混規(guī)》中第7.3.15條規(guī)范要求。
根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB 10002-2017)第5.2.2條要求,本橋軌道鋪設(shè)完成后,豎向殘余變形不應(yīng)大于20mm。
Civil:軌道鋪設(shè)完成后,豎向最大殘余變形2.07mm;滿足規(guī)范要求。
BSAS:軌道鋪設(shè)完成后,豎向最大殘余變形3.15mm;滿足規(guī)范要求。
根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB 10002-2017)第5.2.6條要求,本橋列車豎向靜活載作用下,梁端轉(zhuǎn)角位移不應(yīng)大于1‰。
Civil:列車豎向靜活載作用下,梁端轉(zhuǎn)角位移最大0.73‰;滿足規(guī)范要求。
BSAS:列車豎向靜活載作用下,梁端轉(zhuǎn)角位移最大0.75‰;滿足規(guī)范要求。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的取值以及鋼絞線設(shè)計是大跨度橋梁設(shè)計中的難點也是重點。本文結(jié)合實際應(yīng)用,主要給出了一案例中midas Civil 和BSAS兩種軟件計算(64+64)m預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂澆筑T型剛構(gòu)橋的強度、抗裂、應(yīng)力以及剛度情況等詳細的結(jié)果。通過結(jié)果分析,驗證了本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,同時從結(jié)果對比來看,驗證了兩款軟件對于分析該類橋的正確性,且結(jié)果相差不大。望本文案例能對同類橋梁設(shè)計有所幫助。