鋼板組合梁拼寬橋結(jié)構(gòu)受力分析
——以石安公路改造工程項(xiàng)目太平大橋?yàn)槔?/h1>
2021-12-13 07:58:06張世忠許純梅
工程技術(shù)研究 2021年18期
張世忠，許純梅
西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224
近年來(lái)，我國(guó)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐較快，城市橋梁建設(shè)發(fā)展迅猛。新建橋梁的90%均為中小跨徑橋梁，而這些中小跨徑橋梁中，預(yù)應(yīng)力及鋼筋混凝土橋梁占據(jù)絕大多數(shù)，其工業(yè)化程度相對(duì)較低，施工時(shí)環(huán)境較差，施工精度難以得到保證，后期運(yùn)營(yíng)中容易出現(xiàn)病害。早在2015年交通運(yùn)輸部副部長(zhǎng)馮正霖在報(bào)告中提出要通過(guò)發(fā)展鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁來(lái)進(jìn)一步解決現(xiàn)有中小跨徑橋梁面臨的病害問(wèn)題[1]。將鋼結(jié)構(gòu)橋梁，尤其是鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用于國(guó)內(nèi)中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)的建造中，將改進(jìn)現(xiàn)有中小跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)形式，具有重大工程應(yīng)用意義[2]。
1 鋼板組合梁橋特點(diǎn)
1.1 結(jié)構(gòu)方面
鋼板組合梁橋是一種疊層組合結(jié)構(gòu)，將混凝土橋面板與鋼板梁通過(guò)剪力連接件組合成整體共同受力，截面慣性矩和抗彎承載力均顯著提高，混凝土橋面板對(duì)鋼梁穩(wěn)定性具有增強(qiáng)作用使得鋼材強(qiáng)度可以充分發(fā)揮[3]。
1.2 橋梁加寬方面
（1）鋼-混組合梁剛度高，在活載效應(yīng)下能為舊橋分擔(dān)到較多荷載，從而對(duì)舊橋起到卸載作用，整體橋梁的荷載等級(jí)得到提高。
（2）鋼-混組合梁自重輕，與舊橋結(jié)合后基礎(chǔ)的后期沉降量小，無(wú)較大沉降差，能保證新舊橋梁結(jié)構(gòu)之間不會(huì)出現(xiàn)結(jié)合部位的開(kāi)裂。同時(shí)，鋼梁承擔(dān)了大部分恒載，混凝土的徐變變形不大，也有助于減少新舊結(jié)構(gòu)間的變形差[4]。
（3）與混凝土梁加寬方案比，在同樣的截面高度情況下，組合梁受拉區(qū)全部為鋼材，相較于全截面混凝土梁承載力得到顯著提高，延性也得到提升。
2 工程背景
石安公路改造工程項(xiàng)目太平大橋節(jié)點(diǎn)為蝴蝶形互通立交系統(tǒng)。石安公路上跨的太平大橋處于奧林匹克大道，是一條南北走向的城市主干道，車(chē)流量大，交通擁堵，既有道路寬度難以滿(mǎn)足通行需求。因此，需對(duì)奧林匹克大道進(jìn)行拓寬，太平大橋與四條匝道連接部應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的變速車(chē)道從而對(duì)太平大橋進(jìn)行拼寬，拼寬后的橋面寬度與奧林匹克大道拓寬后路面寬度一致，工程平面圖如圖1所示。其中，PA、PB拼寬橋位于太平大橋東西兩側(cè)，均為變寬的橋面連續(xù)鋼板組合梁橋，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)按照簡(jiǎn)支體系選取其中一跨即可，故此次選取PA拼寬橋變寬段30m跨作為研究對(duì)象。變寬段工字鋼間距按1.5～3.7m控制，懸臂按0.5～1.5m控制。橋面板采用25cm厚現(xiàn)澆C50。
圖1 項(xiàng)目平面圖
鋼筋混凝土板鋼主梁與橋面板間采用剪力釘連接，梁高1.4m，工字梁高度1.15m，工字梁頂板厚20mm，底板厚40～45mm，腹板厚14～20mm，每約5m設(shè)置一道中橫梁，梁端部設(shè)計(jì)端橫梁。1.4m鋼板組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。
圖2 1.4m鋼-混組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）
3 結(jié)構(gòu)受力分析
采用橋梁軟件Midas根據(jù)實(shí)際梁板位置建立梁格空間有限元模型。計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、體系溫度、溫度梯度、混凝土收縮徐變。
3.1 施工階段及運(yùn)營(yíng)模擬
計(jì)算分析時(shí)按以下階段模擬橋梁施工及運(yùn)營(yíng)：
（1）工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)汽車(chē)吊裝安裝鋼梁；
（2）現(xiàn)澆橋面板；
（3）現(xiàn)澆橋面板參與受力，形成組合梁；
（4）施工橋面鋪裝及欄桿附屬工程；
（5）拆除施工中臨時(shí)支撐支架；
（6）運(yùn)營(yíng)階段，10年收縮徐變。
3.2 計(jì)算結(jié)果
（1）承載能力極限狀態(tài)正應(yīng)力驗(yàn)算。鋼梁上下緣最大正應(yīng)力圖如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，承載能力極限狀態(tài)鋼梁上緣正應(yīng)力為-161MPa，下緣正應(yīng)力為236MPa，而容許值均為295MPa，承載能力極限狀態(tài)鋼板組合梁正應(yīng)力符合規(guī)范要求。
圖3 鋼梁上緣最大正應(yīng)力圖
圖4 鋼梁下緣最大正應(yīng)力圖
（2）承載能力極限狀態(tài)剪應(yīng)力驗(yàn)算。變寬橋剪力包絡(luò)圖如圖5所示。正常段腹板板厚14mm，變寬橋腹板加厚至20mm，腹板高度均為1090mm，僅考慮鋼梁腹板抗剪，由上圖可知腹板加厚處最大剪應(yīng)力為98MPa，支點(diǎn)處為106MPa。腹板采用Q345qD鋼，抗剪設(shè)計(jì)值為155MPa。因此，承載能力極限狀態(tài)鋼梁腹板剪應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖5 變寬橋剪力包絡(luò)圖
4 結(jié)束語(yǔ)
文章基于實(shí)際工程對(duì)一座鋼板組合梁拼寬橋進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明其承載能力極限狀態(tài)正應(yīng)力及剪應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)具有材料指標(biāo)低、工藝比較簡(jiǎn)單、質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化橋梁的理想橋型。目前鋼板組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用還不夠廣泛，相信隨著國(guó)家的大力推進(jìn)，鋼板組合梁橋相關(guān)設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)都會(huì)迅速得以發(fā)展和豐富。
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（2）現(xiàn)澆橋面板；
（3）現(xiàn)澆橋面板參與受力，形成組合梁；
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3.2 計(jì)算結(jié)果
（1）承載能力極限狀態(tài)正應(yīng)力驗(yàn)算。鋼梁上下緣最大正應(yīng)力圖如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，承載能力極限狀態(tài)鋼梁上緣正應(yīng)力為-161MPa，下緣正應(yīng)力為236MPa，而容許值均為295MPa，承載能力極限狀態(tài)鋼板組合梁正應(yīng)力符合規(guī)范要求。
圖3 鋼梁上緣最大正應(yīng)力圖
圖4 鋼梁下緣最大正應(yīng)力圖
（2）承載能力極限狀態(tài)剪應(yīng)力驗(yàn)算。變寬橋剪力包絡(luò)圖如圖5所示。正常段腹板板厚14mm，變寬橋腹板加厚至20mm，腹板高度均為1090mm，僅考慮鋼梁腹板抗剪，由上圖可知腹板加厚處最大剪應(yīng)力為98MPa，支點(diǎn)處為106MPa。腹板采用Q345qD鋼，抗剪設(shè)計(jì)值為155MPa。因此，承載能力極限狀態(tài)鋼梁腹板剪應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖5 變寬橋剪力包絡(luò)圖
4 結(jié)束語(yǔ)
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