桂曉明，蔡憲棠

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060)

0 前言

鋼箱梁是一種跨越能力大、建筑高度小、整體性好的梁橋型式，具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益好、施工工期短、施工期間對(duì)既有交通干擾小、景觀效果佳等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)使鋼箱梁結(jié)構(gòu)在城市高架橋梁的建設(shè)中應(yīng)用越來(lái)越多[1]。

按照橋面構(gòu)造及受力特點(diǎn)，城市鋼箱梁的橋面結(jié)構(gòu)形式主要有三種：鋼橋面鋪裝、設(shè)置混凝土過(guò)渡層、設(shè)置混凝土結(jié)合層。本文以一聯(lián)鋼箱梁為工程實(shí)例，借助Midas有限元分析程序，建立三維空間模型，通過(guò)對(duì)各方案進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析，從受力性能、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行全面對(duì)比分析。分析結(jié)果能夠?yàn)槌鞘袖撓淞簶蛟O(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 橋面結(jié)構(gòu)形式[2]

1.1 鋼橋面鋪裝

鋪裝層直接鋪設(shè)于鋼橋面板是目前國(guó)內(nèi)普遍的做法，常用的有澆注式瀝青混凝土、改性瀝青馬蹄脂碎石、環(huán)氧樹脂瀝青混凝土等鋪裝(見(jiàn)圖1)。其建筑高度小，能有效減輕結(jié)構(gòu)自重，但普遍存在滑移脫層、裂縫等病害。

圖1 鋼橋面鋪裝示意圖

1.2 設(shè)置混凝土過(guò)渡層

為了減小橋面系局部撓度，增強(qiáng)瀝青混凝土與橋面的粘結(jié)性，同時(shí)改善橋面板受力狀態(tài)，可采用瀝青鋪裝與鋼橋面板間設(shè)置混凝土渡過(guò)層的方式，但這層混凝土增加了橋面自重(見(jiàn)圖2)。由于其與鋼橋面板粘結(jié)力相對(duì)較小，一般不考慮其對(duì)主梁整體剛度的貢獻(xiàn)。

圖2 混凝土過(guò)渡層鋪裝示意圖

1.3 設(shè)置混凝土結(jié)合層

為了解決橋面鋪裝病害，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，在鋼橋面板上加設(shè)一層15 cm左右厚度的結(jié)合層，其間通過(guò)抗剪栓釘連接，如圖3所示，形成整體受力的截面。在結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩區(qū)，梁頂受拉，需要控制其內(nèi)力以保證結(jié)合層的正常使用，通常采用的方法有：(1)施加預(yù)應(yīng)力，減小支點(diǎn)截面負(fù)彎矩；(2)優(yōu)化施工順序，將跨中部分結(jié)合層與二期荷載先行施工，可減小負(fù)彎矩區(qū)結(jié)合層混凝土拉力；(3)對(duì)跨中進(jìn)行預(yù)壓，待負(fù)彎矩區(qū)混凝土滿足強(qiáng)度要求后，撤去壓重，產(chǎn)生的反向內(nèi)力可改善其受力；(4)利用邊支點(diǎn)頂升或中支點(diǎn)預(yù)頂升成橋再歸位的方法，可提高負(fù)彎矩區(qū)壓應(yīng)力儲(chǔ)備；(5)通過(guò)結(jié)合層合理配置鋼筋網(wǎng)、添加鋼纖維、微膨脹劑等手段優(yōu)化結(jié)合層受力。其中對(duì)跨中進(jìn)行預(yù)壓的方法最經(jīng)濟(jì)且施工方便，在廣東市政建設(shè)中廣泛應(yīng)用，效果較好。

圖3 鋼-混結(jié)合梁橋面布置示意圖

目前，城市鋼箱梁橋主要采用上述三種橋面構(gòu)造形式。本文以某三跨連續(xù)鋼箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎糜邢拊治龇椒?，?duì)比分析各自受力性能、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面的差異，全面分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為同類橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程實(shí)例概況

2.1 截面形式

以(40+60+40)m三跨連續(xù)梁為實(shí)例進(jìn)行分析，鋼梁截面及主要尺寸如圖4所示，橋?qū)?.9 m，頂、底、腹板采用Q345qC，加勁肋及隔板采用Q235qC；橫隔板間距為3 m，強(qiáng)、弱橫隔交替布置。方案一為鋼箱梁上鋪8 cm環(huán)氧改性瀝青混凝土，方案二為鋼箱梁上鋪7 cm混凝土調(diào)平層+8 cm瀝青混凝土，方案三采用15 cm結(jié)合層+8 cm瀝青混凝土。為方便對(duì)比，取建筑高度(包括鋪裝層)相同，均為1.89 m，則三個(gè)方案鋼箱梁高度分別為1.81 m、1.74 m、1.66 m。通過(guò)多工況的計(jì)算，調(diào)整頂、底、腹板厚度，將應(yīng)力控制在較小的差異范圍，以便對(duì)比其受力特性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為保證構(gòu)件穩(wěn)定，將頂?shù)装遄钚『穸榷?4 mm(方案三橋面板結(jié)合層參與受力，頂板厚適當(dāng)減小為12 mm)，腹板最小厚度為12 mm。

圖4 橋梁斷面示意圖(單位：mm)

2.2 計(jì)算荷載及荷載組合

計(jì)算荷載：(1)自重；(2)汽車荷載(公路 I級(jí)，雙向兩車道)；(3)二期恒載(鋪裝、防撞護(hù)欄)；(4)整體升降溫(±30℃)；(5)溫度梯度；(6)不均勻沉降(10mm)；(7)結(jié)合層收縮、徐變。以標(biāo)準(zhǔn)組合驗(yàn)算。

3 有限元計(jì)算模型

3.1 主梁第一體系

整體分析采用三維梁?jiǎn)卧?見(jiàn)圖5)，方案一、方案二鋪裝及過(guò)渡層均考慮為二期恒載，不參與受力，全橋按一次成梁模擬；方案三的瀝青鋪裝作為荷載考慮，15 cm厚結(jié)合層由于有剪力釘?shù)倪B接作用，按施工階段聯(lián)合截面考慮其受力貢獻(xiàn)。

為了減小負(fù)彎矩區(qū)現(xiàn)澆層拉力，方案三采用分段鋪裝與施工階段壓重結(jié)合的方法[4]。模擬的施工過(guò)程為：(1)鋼箱梁一次成梁；(2)澆筑 I區(qū)(如圖6所示)結(jié)合層，并安裝該部分防撞墻；(3)待結(jié)合層達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后對(duì)各跨跨中施加壓重；(4)澆筑Ⅱ區(qū)結(jié)合層，并形成整體受力截面；(5)撤除壓重并安裝Ⅱ區(qū)防撞墻；(7)鋪瀝青鋪裝；(8)運(yùn)營(yíng)階段。

3.2 板殼模型及第二體系

由于薄壁箱梁存在剪力滯效應(yīng)，針對(duì)三個(gè)方案分別建立板殼模型[3][4]，其中方案三結(jié)合層以實(shí)體單元模擬，與箱梁頂板無(wú)滑移連接。對(duì)于橋面板，第二體系應(yīng)力以有限元法方法求解[5]，建立板殼節(jié)段模型，如圖7所示，并加以車輛局部荷載求解橋面板應(yīng)力，第三體系應(yīng)力忽略不計(jì)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取支點(diǎn)、跨中處頂、底板剪力滯系數(shù)，分別與對(duì)應(yīng)初等梁計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果相乘(橋面板計(jì)入第二體系應(yīng)力)，得到截面應(yīng)力最大值。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4.1 正應(yīng)力

根據(jù)多工況計(jì)算，得到三個(gè)方案板件厚度如表1所列；正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所列。根據(jù)初等梁理論計(jì)算的結(jié)果可知，方案二各關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力均大于方案一，這是因?yàn)榉桨付黾恿诉^(guò)渡層的自重，鋼結(jié)構(gòu)高度比方案一小，且過(guò)渡層沒(méi)有提供剛度；方案三橋面板厚度雖然較薄，但由于有結(jié)合層的分擔(dān)作用，上緣應(yīng)力仍然最小，而由于質(zhì)心上移的緣故，其下緣應(yīng)力較大。

在自重與汽車荷載作用下，以有限元方法計(jì)算剪力滯系數(shù)，如圖8所示，以截面頂(底)緣應(yīng)力最大值與均值的比值取值。從計(jì)算結(jié)果可看到，方案一、方案二剪力滯系數(shù)相差不大，而與方案三卻有較大差別，這是由于方案三頂?shù)装搴穸炔煌矣薪Y(jié)合層作用的結(jié)果，因此在計(jì)算結(jié)合梁剪力滯系數(shù)(或有效寬度)時(shí)不能忽略結(jié)合層的作用。方案三支點(diǎn)處頂板剪力滯效應(yīng)相對(duì)較明顯，但總體看其上緣應(yīng)力仍然是最小的。

圖5 空間三維梁?jiǎn)卧Ｐ?/p>

圖6 方案三橋面結(jié)合層施工分段圖

圖7 板殼節(jié)段模型

表1 板件厚度一覽表(單位：mm)

表2 有效正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果一覽表(單位：MPa)

圖8 方案一支點(diǎn)頂板剪力滯效應(yīng)圖

根據(jù)第二體系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖9，限于篇幅，僅給出方案一應(yīng)力分布圖)，方案一頂板應(yīng)力為18 MPa，U肋達(dá)42 MPa；方案二頂板應(yīng)力為11 MPa，U肋為15MPa；方案三頂板應(yīng)力為8MPa，U肋7MPa?？梢钥闯觯瑯蛎嫦档诙w系應(yīng)力比較顯著，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)符合規(guī)范相關(guān)規(guī)定，必要時(shí)須對(duì)橋面板進(jìn)行單獨(dú)分析。同時(shí)可知，混凝土過(guò)渡層與結(jié)合層對(duì)橋面系應(yīng)力改善作用十分明顯，各種作用綜合后方案三橋面系應(yīng)力最小，在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮減小頂板厚度并適當(dāng)增大U肋間距以方便施工和節(jié)約投資。

圖9 方案一橋面板第二體系局部應(yīng)力圖

4.2 剪應(yīng)力及撓度

由表3可知，由于荷載的增加，同時(shí)承受剪力的腹板高度減小(板厚相同)，方案二剪應(yīng)力比方案一為大，而方案三剪應(yīng)力最大，通常剪應(yīng)力強(qiáng)度富余較大，不是控制設(shè)計(jì)的因素。表3顯示，汽車荷載作用下方案三撓度比方案一、方案二減小較為明顯，因此，在梁高受限時(shí)，若要增加橋梁剛度，宜優(yōu)先采用方案三的設(shè)置橋面結(jié)合層的方案。

4.3 經(jīng)濟(jì)性

各方案主梁材料用量如表4所列，工程建設(shè)費(fèi)用分別為：方案一966萬(wàn)元，方案二884萬(wàn)元，方案三922萬(wàn)元?？梢钥闯?，總體上三個(gè)方案價(jià)格相差不大，其中方案一造價(jià)略高，這是由于環(huán)氧瀝青混凝土單價(jià)較高；方案二經(jīng)濟(jì)性最好；方案三用料較多，經(jīng)濟(jì)性居中。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，方案三鋪裝與梁體整體性較好，后期維護(hù)費(fèi)用較低，設(shè)計(jì)時(shí)可綜合考慮。

表3 剪應(yīng)力及撓度計(jì)算結(jié)果一覽表

表4 材料用量表

5 結(jié)語(yǔ)

(1)采用混凝土過(guò)渡層與結(jié)合層，能有效地改善鋼箱梁橋面系受力狀態(tài)，其中采用混凝土結(jié)合層效果最明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)減小頂板厚度并適當(dāng)增大橋面加勁肋間距，以方便施工、節(jié)約投資。

(2)鋼-混結(jié)合結(jié)構(gòu)由于結(jié)合層的作用，截面質(zhì)心上移，導(dǎo)致下緣應(yīng)力明顯增大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)注意對(duì)底板進(jìn)行加強(qiáng)。

(3)從整體結(jié)果上看，剪力滯系數(shù)與第二體系應(yīng)力對(duì)結(jié)果影響較大，設(shè)計(jì)此類橋梁時(shí)需予以考慮。

(4)采用混凝土過(guò)渡層或結(jié)合層，會(huì)增大橋梁自重，從而使剪應(yīng)力增大，在剪應(yīng)力控制設(shè)計(jì)的情況下，應(yīng)進(jìn)行充分對(duì)比。

(5)在建筑高度一定時(shí)，采用混凝土過(guò)渡層的方案會(huì)使活載位移增大，而鋼-混結(jié)合梁活載位移最小。因此，在梁高受限的情況下，為了得到較大的橋梁剛度，可首選橋面設(shè)置結(jié)合層方案，避免用設(shè)置砼過(guò)渡層的方案。

(6)通過(guò)對(duì)三個(gè)方案的材料用量進(jìn)行對(duì)比，可知三個(gè)方案總體上造價(jià)相差不大(10%以內(nèi))，相對(duì)來(lái)說(shuō)，從建設(shè)造價(jià)上看，方案二經(jīng)濟(jì)性最好，方案三次之，方案一造價(jià)最高。

(7)綜合建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算分析結(jié)果，不同橋面結(jié)構(gòu)的鋼箱梁方案各有優(yōu)劣(見(jiàn)表5)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

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