超寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁設(shè)計(jì)

王 斐

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)新疆有限公司,新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

在市政高架橋工程中,由于某些實(shí)際需求,會(huì)出現(xiàn)工程界并不推薦的超寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,計(jì)算過(guò)程中限制較多,如何快速且較為精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)該種類型的市政橋梁是橋梁設(shè)計(jì)工作者必須面對(duì)的問(wèn)題。

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中,橋梁博士和midas Civil是橋梁工程師常用的2種計(jì)算軟件,前者只能建立桿系模型,后者可以建立空間梁格模型。橋梁博士有著建模迅速、計(jì)算結(jié)果直觀、修改參數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn),在市政橋梁快速高效的設(shè)計(jì)工作中有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。midas Civil的梁格模型,建模復(fù)雜,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確但不直觀,模型調(diào)整對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求高,設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣。

由于工程進(jìn)度原因,本文的工程案例先采用橋梁博士軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),后期采用midas Civil梁格模型進(jìn)行校對(duì),通過(guò)不同軟件的計(jì)算來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性,驗(yàn)證橋梁博士軟件在合理的假設(shè)條件下計(jì)算超寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁的可行性。

1 工程概況

烏魯木齊機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程T4航站樓配套交通樞紐,橋梁方面主要為循環(huán)道路高架。為滿足機(jī)場(chǎng)未來(lái)運(yùn)營(yíng)交通通暢,高架系統(tǒng)按雙層逆時(shí)針環(huán)航站樓布置,橋?qū)挿N類多。在此背景下,選取航站樓入口與高架相交處梁段(該段為落客平臺(tái),橋?qū)?1.5 m)為研究對(duì)象,對(duì)寬幅箱梁的布置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 橋型選擇

寬幅橋通常采用分幅設(shè)計(jì)和整幅設(shè)計(jì)2種情況。為使地面道路得到充分使用,落客平臺(tái)下部采用間距為23.25 m雙立柱結(jié)構(gòu),落客平臺(tái)范圍內(nèi)高架均采取整幅設(shè)計(jì)[1]。綜合考慮到機(jī)場(chǎng)高架樞紐線型復(fù)雜、梁寬多變、美觀要求等因素,上部構(gòu)造選擇美觀性較強(qiáng)的斜腹板預(yù)應(yīng)力砼大箱梁。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)

落客平臺(tái)上設(shè)置與航站樓相配套的雨棚,本文選取雨棚荷載最大的一聯(lián)橋(直線,跨徑為2 m×30 m)為例,詳述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。箱梁平面布置及車道分布見圖1,梁格模型及雨棚立柱位置見圖2。

單位：m

單位：kN

截面為單箱八室,箱梁高1.8 m,梁頂寬41.35 m,梁底寬33.35 m,兩側(cè)挑臂長(zhǎng)3.5 m,中橫梁處局部加高至2.2 m。雨棚立柱位于道路設(shè)計(jì)中心線上,雨棚立柱處箱梁內(nèi)部設(shè)置雨棚橫隔板,橫隔板連接相鄰四道中腹板,箱梁采用C50高性能混凝土澆筑。

3.2 箱梁計(jì)算

本文計(jì)算箱梁過(guò)寬、活荷載橫向分布不均勻且縱向有不均勻集中荷載(雨棚荷載)。設(shè)計(jì)前期采用橋梁博士進(jìn)行主梁縱向計(jì)算和橫梁計(jì)算,用計(jì)算結(jié)果完成設(shè)計(jì);后期采用midas Civil建立梁格模型進(jìn)行縱向計(jì)算,復(fù)核設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3.2.1 橋梁博士縱向計(jì)算

結(jié)構(gòu)總體靜力計(jì)算采用橋梁博士3.5.0計(jì)算軟件建立梁?jiǎn)卧Ｐ?。截面抗裂?yàn)算按預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件控制,分析時(shí)根據(jù)施工工序劃分為4個(gè)施工階段：成橋、張拉預(yù)應(yīng)力、二期恒載、收縮徐變。車輛荷載選用城A級(jí),人群荷載集度為3 kN/m2。根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)以及查閱一些相關(guān)文獻(xiàn),偏載系數(shù)保守取值為1.26[2]。為簡(jiǎn)化計(jì)算,將雨棚荷載中的恒載和活載等效成恒載以豎向集中力的形式加載于成橋階段。圖2中沿墩號(hào)前進(jìn)方向,雨棚等效荷載大小分別為1 500、1 500、1 800 kN。

該橋的實(shí)際情況如下。①橋梁寬度較大,汽車荷載、人群荷載、雨棚荷載橫向分布不均勻,這些外荷載并不能被9道腹板均勻承擔(dān)。②理想狀態(tài)下,通過(guò)雨棚橫隔板雨棚荷載被緊鄰的4道腹板均勻承擔(dān)。③實(shí)際工程中,箱梁頂、底板具有一定橫向剛度,會(huì)將雨棚荷載以及其它外載不均勻地傳遞到每一道腹板上。④橋梁博士的計(jì)算結(jié)果無(wú)法顯示橫截面橫向應(yīng)力不均勻的情況。

綜合以上因素,本次橋梁博士計(jì)算人為地分成4種假設(shè)情況：對(duì)比組,無(wú)雨棚荷載;為計(jì)算橫梁提供縱向荷載數(shù)據(jù),雨棚荷載按等效荷載加載;為計(jì)算最不利情況,雨棚等效荷載擴(kuò)大2.25倍加載(4×2.25=9);考慮到橫向活載分布的不均勻以及頂?shù)装辶Φ膫鬟f作用,結(jié)合第2種假設(shè)情況的計(jì)算結(jié)果,將雨棚等效荷載擴(kuò)大1.5倍加載,以此來(lái)彌補(bǔ)橋梁博士計(jì)算中個(gè)別腹板實(shí)際內(nèi)力大于理論計(jì)算值的情況。經(jīng)過(guò)計(jì)算并按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行荷載組合以及強(qiáng)度、撓度驗(yàn)算,將結(jié)果與JTG 3362—2015《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》相應(yīng)條文對(duì)比[3],4組計(jì)算結(jié)果(見表1),具體分析如下。

表1 橋梁博士主要縱向計(jì)算結(jié)果 (應(yīng)力及彎矩)

3.2.1.1 無(wú)雨棚荷載

鋼束布置：腹板鋼束均為12-?s15.2,頂板鋼束均為9-?s15.2,底板鋼束均為7-?s15.2。由計(jì)算結(jié)果可以看出,在無(wú)雨棚荷載情況下,縱向主梁各截面正截面在各種荷載組合下混凝土應(yīng)力和抗彎承載力均滿足規(guī)范要求,此種情況的配束方案過(guò)于保守[4]。

3.2.1.2 雨棚荷載按1.0倍等效荷載加載

鋼束布置同對(duì)比組。由計(jì)算結(jié)果可以看出,雨棚荷載對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較為明顯。該組計(jì)算主要是為計(jì)算橫梁提供數(shù)據(jù),其余情況不再分析。

3.2.1.3 雨棚荷載按2.25倍等效荷載加載

鋼束布置：腹板鋼束均為15-?s15.2,頂?shù)装邃撌贾猛瑢?duì)比組。為了計(jì)算出和雨棚橫隔板相連的4道腹板理想情況下的工作應(yīng)力,將雨棚荷載按2.25倍等效荷載加載。計(jì)算結(jié)果同組1對(duì)比,在雨棚等效荷載的作用下在中支點(diǎn)處主拉應(yīng)力增加了40.2%,跨中主壓應(yīng)力幾乎不變,中支點(diǎn)主壓應(yīng)力降低了4.8%;雨棚等效荷載作用下第1跨跨中產(chǎn)生的彎矩增大7.6%,中支點(diǎn)處負(fù)彎矩增大17.3%,腹板鋼束加粗使跨中抵抗彎矩增大11.6%,中支點(diǎn)抵抗彎矩增大7.6%。從對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,腹板鋼束加粗對(duì)抵抗彎矩的增長(zhǎng)有明顯效果,由于雨棚荷載的增加導(dǎo)致中支點(diǎn)剪力增大,主拉應(yīng)力增大,致使中支點(diǎn)成為應(yīng)力控制截面。從整體效果看,在滿足規(guī)范要求的情況下,腹板鋼束的增加量和雨棚荷載產(chǎn)生的效應(yīng)能較好地相互抵消,此種配束方案較為合理。

3.2.1.4 雨棚荷載按1.5倍等效荷載加載

鋼束布置同對(duì)比組。計(jì)算結(jié)果同組1對(duì)比,從應(yīng)力可以看出,雨棚荷載的增加對(duì)正應(yīng)力與主壓應(yīng)力影響不大,對(duì)主拉應(yīng)力影響較大;從抵抗彎矩中可以看出,在1.5倍等效荷載加載的情況下,此種配束方式比較合理,抵抗彎矩可以較好地包絡(luò)住設(shè)計(jì)彎矩。

由計(jì)算結(jié)果可知,4組計(jì)算中各鋼束的最大使用應(yīng)力和持久狀況正常使用極限狀態(tài)撓度均符合規(guī)范要求。

3.2.2 midas Civil縱向計(jì)算

采用梁?jiǎn)卧⒖臻g梁格模型,設(shè)置9道縱向主梁,虛擬橫梁間隔2 m,雨棚橫隔板按實(shí)際尺寸與位置建立。鋼束布置：雨棚相關(guān)腹板(主梁4～7,編號(hào)由下向上排列)鋼束為15-?s15.2,其余腹板鋼束為12-?s15.2,頂板鋼束均為9-?s15.2,底板鋼束均為7-?s15.2,未加橫梁鋼束。恒載及活載均按照實(shí)際位置加載,材料及活載取值情況與橋梁博士一致(車道荷載沒(méi)有乘偏載系數(shù))。經(jīng)過(guò)計(jì)算并按照J(rèn)TG D60—2015,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范進(jìn)行荷載組合,計(jì)算結(jié)果及分析如下。

梁格模型只對(duì)橋梁縱向進(jìn)行分析,表2～3中記載了主要計(jì)算結(jié)果。從表2中主拉應(yīng)力可以看出,midas Civil計(jì)算出的主拉應(yīng)力與橋梁博士的結(jié)果有很大不同,在剪力極大的地方主拉應(yīng)力會(huì)超過(guò)規(guī)范要求,其他位置均滿足規(guī)范要求。從主壓應(yīng)力數(shù)據(jù)可以看出,主梁4～7的主壓應(yīng)力明顯大于其他主梁,9道主梁計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。將表2中剪力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算(截面左側(cè)剪力之和減去截面右側(cè)剪力之和)可以得出結(jié)論：雨棚荷載被主梁4～7完全承擔(dān),這完全符合設(shè)計(jì)雨棚橫隔板的假設(shè);由其他腹板上的剪力數(shù)據(jù)可以得出,頂?shù)装鍎偠认鄬?duì)于腹板剛度過(guò)于薄弱,在雨棚集中荷載的情況下產(chǎn)生反向翹曲,使其余5道腹板中產(chǎn)生的剪力為負(fù)[5]。由表3可知,此配束方案對(duì)于主梁4～7較為合理,對(duì)于其他主梁稍顯保守。

由表3數(shù)據(jù)可以看出,因?yàn)閙idas Civil模型的結(jié)果并不是同一工況下,所以2種模型的計(jì)算結(jié)果有一定的出入,但能證明各種荷載會(huì)由相近主梁承擔(dān),在此不做深入探討。由表3數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。

1)恒荷載彎矩：僅在恒載作用下,單箱多室現(xiàn)澆梁臨近支座的腹板會(huì)承擔(dān)較大的荷載。

2)雨棚截面荷載剪力：雨棚荷載主要由主梁4～7承擔(dān)。

3)汽車荷載彎矩和人群荷載彎矩：僅有活載的情況下,挑臂上的活荷載主要由邊腹板承擔(dān)。

4)由所有外荷載數(shù)據(jù)可以看出,主梁內(nèi)力的分布與外載的橫向分布是一致的,這與橋梁博士計(jì)算的假設(shè)一致,又根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可知,橋梁博士的4種假設(shè)及計(jì)算的數(shù)據(jù)是合理的。

4 結(jié)論

綜合對(duì)比橋梁博士與midas Civil的計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論。

1)由于活載橫向分布不均勻,致使2種模型計(jì)算結(jié)果有一定的差異,但是差異性不大,計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

2) midas Civil梁格模型驗(yàn)證了該橋梁設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性,證明了橋梁博士軟件在合理的假設(shè)條件下計(jì)算超寬幅預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁是安全可靠的。