斜腿傾角對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋受力性能的影響

陳 銘，梁西建，李曉克

(1.河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊050021;2.河南省交院工程檢測加固有限公司，河南 鄭州450001;3.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州450045)

在城市橋梁中，采用下部斜構(gòu)方式可以起到增加橋梁整體結(jié)構(gòu)靈動(dòng)性，增強(qiáng)美觀效果，減小下構(gòu)阻水系數(shù)，提高過水能力的作用［1－2］.從橋梁結(jié)構(gòu)受力角度考慮，斜構(gòu)可以為中間跨提供軸向壓力，有利于橋梁主梁受力狀態(tài)的改善，因此適于在中型跨度橋梁中推廣應(yīng)用［3－4］.筆者結(jié)合工程實(shí)例設(shè)計(jì)，分析了斜腿傾角對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋受力性能的影響規(guī)律.這種有推力結(jié)構(gòu)所用的材料較省，建筑高度較低，目前已成為大多數(shù)發(fā)達(dá)國家高等級(jí)公路跨線橋的首要選擇.其中該橋型的斜腿傾角是影響橋梁控制截面內(nèi)力、應(yīng)力和位移的關(guān)鍵因素.

1 橋梁結(jié)構(gòu)及計(jì)算模型

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋梁跨徑90 m，邊中跨比值約為0.8.采用單箱三室箱型截面，跨中截面梁高1.50 m，梁腿剛結(jié)處梁高2.80 m，支座處截面梁高1.50 m，箱梁頂板厚0.25 m，底板厚度以拋物線形式從0.20 m 過渡到0.50 m. 斜腿采用矩形截面，厚度為1.00 m，主梁剛結(jié)處的斜腿寬度(垂直斜腿中線)為2.686 m，斜腿底部寬度為1.50 m，斜腿總長為9.646 m，斜腿從腹板邊緣沿橋?qū)挿较蛞来尾贾? 個(gè).箱梁的縱斷面如圖1所示.

圖1 箱梁縱斷面(單位:cm)

該橋設(shè)計(jì)車速為60 km/h，橋?qū)?9 m，橋面布置為:1.50 m 人行道+2 ×3.50 m 機(jī)動(dòng)車道+2.00 m中間帶+2 ×3.50 m 機(jī)動(dòng)車道+1.50 m 人行道.跨中斷面如圖2所示.

該橋的預(yù)應(yīng)力鋼束采用1860 級(jí)鋼絞線，控制應(yīng)力為1 395 MPa，跨中處和梁腿剛結(jié)處的預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖3所示，其中鋼束1、鋼束2、鋼束3 的規(guī)格為25φs15.2，鋼束4 的規(guī)格為16φs15.2.

圖2 跨中斷面圖(單位:cm)

圖3 中腹板處預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖(括號(hào)內(nèi)為邊腹板處鋼束數(shù)據(jù)，單位:cm)

1.2 橋梁計(jì)算模型

采用有限元分析軟件MIDAS/Civil 建立模型，模擬橋梁結(jié)構(gòu)及其受力狀態(tài)，其中斜腿傾角分別采用35°，40°，45°，50°，55°，60°.荷載有橋梁結(jié)構(gòu)自重(包括二期鋪裝)、預(yù)應(yīng)力、車輛荷載、人群荷載、溫度荷載和支座沉降.汽車荷載取公路－Ⅰ級(jí)，人群荷載取3.5 kN/m2，溫度荷載根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r取整體升溫、降溫20 ℃，局部溫度變化按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定計(jì)算［5］，支座沉降根據(jù)工程地質(zhì)情況取為20 mm，混凝土收縮徐變期考慮10 a. 邊界條件為斜腿底三向鉸接，箱梁與斜腿采用剛性連接，橋臺(tái)處采用豎向支座.

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 控制截面內(nèi)力分析

經(jīng)過對(duì)計(jì)算結(jié)果的綜合分析，得到該橋各關(guān)鍵部位最大內(nèi)力隨斜腿傾角變化的關(guān)系，如圖4所示.斜腿傾角的變化對(duì)主梁邊跨跨中和梁腿剛結(jié)處的彎矩影響較大，對(duì)中跨跨中彎矩影響相對(duì)較小(圖4(a)).隨著斜腿傾角的增加，邊跨跨中彎矩減小較快，每5°的減小幅度為3%左右，從邊跨受彎有利角度分析，斜腿傾角宜取較大值45° ～60°;隨著斜腿傾角的增加，主梁與斜腿剛結(jié)處的負(fù)彎矩增加較快，每5°的增加幅度為2%左右，從梁腿剛結(jié)處受彎矩有利角度分析，斜腿傾角宜取較小值35° ～50°;隨著斜腿傾角的增加，中跨跨中處彎矩有所增加，但是增幅較小，每5°的增加幅度為0.5%左右，因此從中跨跨中受彎有利角度考慮，斜腿傾角宜取較小值，推薦取值范圍為35° ～50°.斜腿傾角的變化對(duì)斜腿承受的彎矩影響較大(圖4(b))，隨著斜腿傾角的增加，斜腿頂部和中部承受的正彎矩均較快減小，斜腿頂部和底部承受的負(fù)彎矩均較快增大，較大的彎矩對(duì)斜腿不利，從斜腿受彎有利角度分析，斜腿傾角不宜過大或者過小，取值范圍宜為40° ～55°. 從有利于該橋梁承受彎矩角度，斜腿傾角宜為40° ～50°.

斜腿傾角的變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剪力的影響較大(圖4(c))，隨著斜腿傾角的增加，邊支座處剪力較快減小，每5°剪力減小的幅度為1.5%左右，從支座抗剪有利角度分析，斜腿傾角宜取較大值45° ～60°;隨著斜腿傾角的增加，主梁與斜腿剛結(jié)處的剪力增加較快，每5°增加的幅度為0.7%左右，從梁腿剛結(jié)處抗剪有利角度分析，斜腿傾角宜取較小值35°～50°;隨著斜腿傾角的增加，斜腿頂部剪力增加較大，每5°平均增幅為4%左右，從斜腿頂部抗剪有利角度分析，斜腿傾角宜取較小值35° ～50°;隨著斜腿傾角的增加，斜腿底部剪力減小較大，每5°平均增幅為12%左右，從斜腿頂部抗剪有利角度分析，斜腿傾角宜取較大值45° ～60°. 從有利于橋梁各部位承受剪力的角度綜合考慮，斜腿傾角宜為40° ～50°.

圖4 關(guān)鍵部位的內(nèi)力最大值隨斜腿傾角的變化曲線

斜腿傾角的變化對(duì)橋梁中跨的軸力影響較大(圖4(d))，隨著斜腿傾角的增加，中跨壓力迅速減小，每5°軸向壓力減小的幅度為14%左右，軸向壓力能為中跨提供預(yù)壓應(yīng)力，較大的軸向壓力對(duì)橋梁有利，斜腿傾角宜取較小值35° ～45°;隨著斜腿傾角的增加，斜腿頂部和底部的軸力都逐漸減小，變化規(guī)律相似，每5°軸向壓力減小的幅度為5%左右，過大的軸向壓力對(duì)斜腿受力不利，所以從斜腿受力有利角度分析，斜腿傾角宜取大值45° ～60°. 從有利于橋梁各部位承受軸力角度綜合考慮，斜腿傾角宜為35° ～45°.

2.2 控制截面應(yīng)力分析

該橋各關(guān)鍵部位最大應(yīng)力隨斜腿傾角的變化關(guān)系如圖5所示.斜腿傾角的變化對(duì)橋梁關(guān)鍵部位的拉應(yīng)力影響較大(圖5(a))，隨著斜腿傾角的增加，邊跨跨中最大拉應(yīng)力逐漸減小，每5°減小幅度約為2.5%，過大的拉應(yīng)力對(duì)橋梁不利，從邊跨跨中受力有利角度分析，斜腿傾角宜取較大值45° ～60°;隨著斜腿傾角的增加，剛結(jié)處的最大拉應(yīng)力逐漸增大，每5°增大幅度約為3.3%，從剛結(jié)處受力有利角度分析，斜腿傾角宜取較小值35° ～50°;隨著斜腿傾角的增加，中跨跨中處的最大拉應(yīng)力逐漸增大，每5°增大幅度約為3.0%，從中跨跨中處受力有利角度分析，斜腿傾角宜取較小值35°～50°;隨著斜腿傾角的增加，斜腿頂部和中部的最大拉應(yīng)力減小較快，每5°減小幅度約為17%，從斜腿受力有利角度分析，斜腿傾角宜取較大值50°～60°.從有利于該橋梁抵抗拉應(yīng)力角度綜合考慮，斜腿傾角宜為45°～50°.

圖5 關(guān)鍵部位的應(yīng)力隨斜腿傾角的變化曲線

斜腿傾角的變化對(duì)橋梁的壓應(yīng)力影響較大(圖5(b))，隨著斜腿傾角的增加，橋梁各關(guān)鍵部位壓應(yīng)力均減小，較大的壓應(yīng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有利，所以斜腿傾角宜取較小值35° ～45°.

2.3 控制截面位移分析

該橋各關(guān)鍵部位處的最大位移隨斜腿傾角的變化關(guān)系如圖6所示.隨著斜腿傾角的增加，橋梁各關(guān)鍵部位的豎向位移均出現(xiàn)不同程度的減小(圖6(a))，從減小豎向位移角度分析，斜腿傾角宜取較大值50° ～60°;隨著斜腿傾角的增加，橋梁關(guān)鍵部位的水平位移總體來說變化不大(圖6(b))，推薦傾角的取值范圍為35° ～50°.

圖6 關(guān)鍵部位的位移隨斜腿傾角的變化曲線

3 結(jié) 語

預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋的斜腿傾角，對(duì)箱梁和斜腿的受力性能具有明顯影響，是一個(gè)需要優(yōu)化取值的設(shè)計(jì)參數(shù).結(jié)合工程實(shí)例，采用整橋設(shè)計(jì)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到了相對(duì)于橋梁關(guān)鍵部位內(nèi)力、應(yīng)力和位移等設(shè)計(jì)控制目標(biāo)的斜腿傾角合適取值范圍.綜合分析各取值范圍之后，指出有利于該實(shí)例整橋受力的合理斜腿傾角在40° ～50°比較適宜.同時(shí)，該預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋邊中跨比為0.8左右，所得結(jié)論對(duì)同類橋梁有參考應(yīng)用價(jià)值.

［1］劉世明，楊竹林，楊建中，等.鋼筋混凝土斜腿剛架橋靜力計(jì)算分析［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(2):30－33.

［2］劉世明，楊建中，楊竹林，等.V 型墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30(5):40－43.

［3］Li Xiaoke，Liang Xijian，Liu Shiming.Static analysis of prestressed concrete bridge with slant-legged rigid frame［J］.Advanced Materials Research，2012(446－449):1172－1175.

［4］郭健，劉世忠，孫柄楠. 大跨度預(yù)應(yīng)力斜腿剛構(gòu)橋的結(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2002，15(1):78－81.

［5］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.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.