大跨径波形钢腹板箱梁桥试设计与结构验算.docx

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游正君， 曹 萱， 严 靖
(武汉工程大学 资源与安全工程学院，湖北 武汉 430063)
0 引 言
波形钢腹板PC组合箱梁问世于20世纪80年代,是一种新型组合结构桥梁,腹板采用波形钢替换传统混凝土,是一种更加经济、合理、高效的结构形式[1]。在波形钢腹板PC组合箱梁桥受力分析时,部分学者仅以等效刚度原则替换了腹板材料[2,3],并未考虑不同桥型结构设计参数的相应改变,所得结论与实际工程具有一定差距。同时,桥梁工程界学者对波形钢腹板PC组合箱梁的研究多针对单片梁的受力性能[4,5],对全桥结构受力鲜有研究。本文结合地方规范[6-8]并依托原桥型为预应力混凝土连续刚构桥的凉水特大桥,利用MIDAS Civil软件建立波形钢腹板PC组合箱梁桥模型,并进行不同极限状态下预应力混凝土构件应力
验算。此研究对波形钢腹板PC组合箱梁桥的发展与工程实际应用具有一定的推广和借鉴意义。
1 结构形式优势
波形钢腹板PC组合箱梁桥较预应力混凝土箱梁桥具有如下优势:
(1) 波形钢腹板箱梁结构结合混凝土的抗压和钢板的轻质与抗剪,在减小结构自重方面有更大的优势。
(2) 波形结构不仅提高了预应力的施加效率,也避免产生腹板裂缝,装配式施工加快了施工进度,体外预应力束易于后期拆换和维修加固。
2 工程概况
凉水特大桥主桥为86+160+86 m三跨预应力混凝土变截面连续刚构桥,采用上下行分离式断面, m(护栏)+ m(行车道)+ m(护栏)= m。主梁号梁段采用墩顶托架法浇筑,悬臂段采用挂篮法施工,边跨现浇段采用托架现浇施工。
凉水特大桥原设计桥型为预应力混凝土连续刚构桥,本文拟将其设计为波形钢腹板PC组合连续刚构桥。
尺寸参数
试设计凉水特大桥跨径为86+160+86 m,。梁高对结构受力分析影响较大,出于减少变量的考虑,所设计波形钢腹板PC组合箱梁桥保持原桥型高跨比不变, m,主梁根部处
高跨比为1/, m,跨中处高跨比为1/。,主梁纵断面构造图如图1所示。
图1 主梁纵断面构造图(单位：cm)
波形钢腹板厚度变化采用自主梁根部至跨中22 mm～18 mm～14 mm变化,主梁根部设置80 cm厚的内衬混凝土。波形钢腹板PC组合箱梁桥主梁标准横断面如图2所示。
图2 主梁标准横断面图(单位：cm)
为保证足够的抗扭刚度和横向抗弯刚度。 m厚的墩顶横隔板, m厚端横隔板,边跨各设置3道中横隔板,中跨共设置6道中横隔板。原预应力混凝土桥中横隔板仅在中跨设置了2道。
设计荷载
(1)恒载：
一期恒载:主梁采用C55混凝土。
二期恒载:8cm混凝土调平层;8cm沥青混凝土铺装层;SS级墙式护栏。
(2)汽车荷载：
公路-Ⅰ级。
(3)预应力：
由于波形钢腹板的褶皱效应,腹板几乎不承担压应力,仅于混凝土顶、底板配置纵向体内预应力悬浇束( mm钢绞线,共72束)和合拢束( mm钢绞线,共36束)。同时根据可变荷载设置体外预应力钢束( mm钢绞线,共22束)。
(4)混凝土徐变及收缩的影响：
参照文献[7]附录C进行计算。
(5)温度影响：
主梁整体升/降温:30℃/-40℃。
(6)基础变位影响：
连续结构不均匀沉降:。
3 建立有限元模型
利用MIDAS Civil软件建立波形钢腹板PC组合箱梁桥模型,主墩墩顶0#梁段及边跨支座梁段为混凝土腹板箱型截面,其余梁段为波形钢腹板PC组合箱型截面,采用Midas自带的波形钢腹板箱梁设计截面模拟,主梁截面模拟如图3所示。
图3 波形钢腹板PC组合箱梁截面
边界条件模拟为:墩梁固结,墩底约束全部自由度,成桥阶段主桥两边跨设置滑动铰支座。根据结构特点,将结构划分为1 051个节点、1 044个梁单元。全桥结构有限元模型如图4所示。
图4 波形钢腹板PC组合箱梁桥有限元模型
4 结构验算
持久状况承载能力极限状态计算
正截面抗弯承载力验算
Reference[9]计算出波形钢腹板PC组合箱梁受弯构件正截面抗弯承载力,利用MIDAS Civil得出主梁在承载能力极限状态下主梁最大/最小弯矩设计值。主梁正截面弯矩包络图如图5所示。
图5 承载能力极限状态主梁弯矩包络图
由图5可知,承载能力极限状态最大/最小作用效应组合弯矩设计值均在结构抗弯承载力允许范围内,满足结构抗弯验算要求。
波形钢腹板剪应力验算
Reference[10],承载能力极限状态波形钢腹板抗剪强度应满足:
γ0(τmd+τtd)≤fvd(1)γ0(τmd+τtd)≤τcr
(2)
γ0(τmd+τtd)≤τcr,L
(3)
γ0(τmd+τtd)≤τcr,G
(4)
式中:fvd为波形钢腹板抗剪强度设计值;τmd为竖向荷载与预应力产生的剪应力设计值;τtd为扭矩产生的剪应力设计值;τcr为波形钢腹板组合屈曲临界剪应力;τcr,L为波形钢腹板局部屈曲临界剪应力;τcr,G为波形钢腹板整体屈曲临界剪应力。
承载能力极限状态下波形钢腹板抗剪强度验算结果及剪切稳定性验算结果如图6和图7所示。
图6 承载能力极限状态下波形钢腹板剪应力强度验算
图7 承载能力极限状态下波形钢腹板剪切稳定性验算
由图6可知,承载能力极限状态波形钢腹板剪应力均小于结构容许剪应力,满足腹板抗剪强度验算要求。
由图7可知,承载能力极限状态波形钢腹板局部屈曲安全系数、整体屈曲安全系数、组合屈曲安全系数均大于1,满足腹板剪切稳定性验算要求。
持久状况正常使用极限状态计算
抗裂验算
波形钢腹板PC组合箱梁桥设计为全预应力混凝土构件,正截面混凝土拉应力应满足:
σst-≤0
(5)
式中:σst为作用频遇组合下箱梁边缘混凝土的法向拉应力;σpc为扣除全部预应力损失后的预加力在边缘混凝土产生的预压应力。
持久状况正常使用极限状态作用频遇组合下波形钢腹板PC组合箱梁顶、底板抗裂验算结果如图8所示。
图8 作用频遇组合下主梁拉应力验算
由图8可知,波形钢腹板箱梁顶、底板在正常使用极限状态作用频遇组合下均不产生拉应力,满足混凝土抗裂验算。
挠度验算
依据文献[9],由汽车荷载和人群荷载频遇组合在梁式桥主梁产生的最大挠度不应超过计算跨径的1/600。荷载频遇组合下主梁挠度验算如图9所示。