謝居才
(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市200092)
2×36 m連續(xù)箱梁橋主梁設計及縱向計算
謝居才
(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市200092)
兩跨連續(xù)梁橋在實際橋梁工程項目中,采用的概率相對較小,其經(jīng)濟指標相對于多跨連續(xù)梁橋要低一些。以舟山市小干二橋工程引橋中間某聯(lián)2×36 m預應力混凝土連續(xù)箱梁橋為背景,從主梁設計準則、主梁構造尺寸擬定、主梁鋼束配置及縱向計算等方面,對其主梁設計及縱向計算進行深入介紹,可為類似工程項目提供有益的參考。
連續(xù)箱梁;主梁;構造尺寸;鋼束;荷載;縱向計算
舟山市小干二橋工程,引橋中間某聯(lián)采用2× 36 m預應力混凝土連續(xù)梁橋,橋梁橫斷面布置如圖1所示,橫斷面總寬23.9 m。
圖1 橋梁橫斷面布置(單位:m)
上部主梁采用單幅整體式箱梁,梁高2.2 m,頂?shù)淄?,橋面橫坡2%。
下部結構采用雙柱墩,墩柱中心距11 m,基礎采用鉆孔灌注樁。
設計中主要采用的技術標準如下:
(1)道路等級:城市主干路;
(2)設計車速:50 km/h;
(3)設計基準期:100 a;
(4)設計使用年限:100 a;
(5)環(huán)境類別:Ⅲ類環(huán)境,相對濕度80%;
(6)荷載標準:汽車荷載為城-A級,人群荷載按《城市橋梁設計規(guī)范》(CJJ 11—2011)取用;
(7)設計安全等級:一級。
3.1 混凝土
主梁采用C50高性能混凝土,表面外露部分采用涂層防腐措施。
3.2 鋼筋
普通鋼筋采用H P B300、H R B400級,其力學性能應符合國家標準《鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋》(G B/T 1499.2—2007)及《鋼筋混凝土用鋼第1部分:熱軋光圓鋼筋》(G B/T 1499.1—2008)的規(guī)定。鋼筋應具有出廠質量證明書,并在使用前抽驗。
3.3 預應力鋼絞線、錨具及波紋管
預應力鋼絞線應符合《預應力混凝土用鋼絞線》(G B/T 5224—2014)的規(guī)定,采用s15.2低松弛鋼絞線(松弛率2.5%),fpk=1 860 MPa,Ep=1.95× 105MPa,張拉控制應力σcon=1 395 MPa。
錨具應符合《預應力筋用錨具、夾具和連接器》(G B/T 14370—2015)Ⅰ類錨具的各項要求。錨具變形和鋼筋回縮值按張拉端單端6 mm考慮。
預應力管道采用可真空壓漿的塑料波紋管成型,塑料波紋管應符合《預應力混凝土橋梁用塑料波紋管》(J T/T 529—2016)的規(guī)定。管道偏差系數(shù)к=0.001 5,管道摩擦系數(shù)μ=0.16。
4.1 主梁設計準則
主梁縱向及橫梁考慮配置預應力鋼絞線,均按A類預應力混凝土構件控制其設計。
主梁兩側懸臂控制在2.5 m左右,橋面板按普通鋼筋混凝土構件設計。
根據(jù)橋位處的環(huán)境類別,參照相關規(guī)范在耐久性設計方面的要求,確定箱梁混凝土凈保護層厚度不小于4 c m。
主梁采用支架現(xiàn)澆、一次落架施工工藝。
4.2 主梁構造尺寸的擬定
參照類似工程實踐,梁高擬定為2.2 m,頂?shù)淄?,橫坡2%。主梁頂板寬23.7 m,底板寬17.4 m,單側挑臂2.4 m。主梁斷面為單箱四室大箱梁,中腹板橫向中心距4.6 m,邊腹板采用斜腹板,與底板底緣線夾角約67.2°。
頂板厚度25 c m,等厚設置。
底板變厚規(guī)律:自端橫梁實腹根部向跨中方向設置5 m漸變段,底板厚度由端橫梁實腹根部40 c m漸變到跨中22 c m;中橫梁附近底板等厚度22 c m,不設變厚段。
腹板變厚規(guī)律:自端橫梁實腹根部向跨中方向設置5 m漸變段,腹板厚度由端橫梁實腹根部55 c m漸變到跨中35 c m;中橫梁邊跨側自橫梁實腹根部向邊跨跨中方向依次設置5 m等厚段、3 m漸變段,等厚段腹板厚度55 c m,漸變段由55 c m漸變到邊跨跨中35 c m。
頂板、底板和腹板的尺寸是通過計算來確定的,尤其是腹板在中橫梁附近的變厚段設置,也是兩跨連續(xù)梁的特點之一,這里結構尺寸的擬定對抗剪承載力有比較大的影響。
箱梁標準斷面上頂板、腹板倒角尺寸為0.7m× 0.3 m,底板、腹板倒角尺寸為0.4 m×0.2 m。橫梁下設雙支座,支座順橋向距梁端0.6 m,橫向距離箱梁中心線5.5 m。
橫梁實腹寬度:一側端橫梁1.2 m,另一側端橫梁2 m,中橫梁2.0 m。
箱梁跨中標準斷面、端支點及中支點處的橫斷面構造尺寸如圖2~圖4所示。
圖2 箱梁跨中標準斷面
圖3 箱梁端支點斷面
圖4 箱梁中支點斷面
5.1 計算概況
5.1.1 計算內容
采用橋梁博士對主梁進行縱向計算,按A類預應力混凝土構件控制設計;根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(J T G D60—2015)(以下簡稱D60)荷載效應組合的要求進行內力和應力計算,驗算主梁的極限承載能力、在施工階段和使用階段的應力水平及整體剛度是否滿足規(guī)范要求。
5.1.2 計算荷載
5.1.2.1 恒載
一期恒載:按構件實際斷面并考慮構造因素計入,自重系數(shù)1.08。
二期恒載:根據(jù)橋梁橫斷面布置,考慮鋪裝層、防撞護欄等橋面二期恒載,橋面二期恒載總重按150 k N/m計。
5.1.2.2 活載
機動車道荷載:城A級,橫向偏載系數(shù)1.15。
人群荷載:根據(jù)《城市橋梁設計規(guī)范》(CJJ 11—2011)第10.0.5條要求確定人群荷載集度,取為3.5 k P a。
5.1.2.3 溫度荷載
整體升降溫:升溫+23℃,降溫-23℃。
梯度溫度效應:按D60第10.0.5條計算,瀝青鋪裝層10 c m,正溫差T1=14℃,T2=5.5℃。
5.1.2.4 支座沉降
邊支點0.5 c m,中支點1.0 c m。
5.1.3 施工階段劃分
全橋主梁采用支架現(xiàn)澆,一次落架施工方法,分為3個施工階段。
第一階段:澆筑整體混凝土,張拉鋼束。
第二階段:施加二期恒載。
第三階段:收縮徐變10 a。
5.2 主梁縱向配束
縱向配束的確定是主梁縱向計算的核心。
根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(J T G D62—2004)(以下簡稱D62)第9.4.9條第一款規(guī)定,直線管道的凈距不應小于40 mm,且不宜小于管道直徑的0.6倍,對于預埋的塑料波紋管,在豎直方向上可將兩管道疊置。本聯(lián)橋主梁設計時,不考慮鋼束豎向疊置。
主梁縱向鋼束設計,應協(xié)調考慮橫梁內設置的橫向鋼束,兩者位置在空間上不能相互沖突,并結合混凝土保護層、橋面板橫向鋼筋等信息,結合鋼束豎向間距的規(guī)定(即前述規(guī)范9.4.9條),確定主梁縱向鋼束的位置。
根據(jù)計算,本聯(lián)主梁縱向鋼束共設腹板束、頂板束和底板束3類,其中腹板束采用M15-15型錨具及配套波紋管,頂板束采用M15-12型錨具及配套波紋管,底板束采用M15-9型錨具及配套波紋管。
根據(jù)計算,單個腹板內共設3根腹板束,腹板束在端橫梁處水平向間距為2 m,在中橫梁處鋼束控制點水平向間距1 m。
以中腹板為例,3根腹板束在梁端處均位于箱梁頂板頂緣下方180 mm,鋼束傾角25°;在中橫梁處依次位于頂緣下方150 mm、390 mm、570 mm處,鋼束傾角15°。邊腹板上腹板束按同一原則進行豎向定位。
頂板束直線段位于頂板頂緣下方130 mm處。
底板束直線段位于底板底緣上方110 mm處,即處于底板正中。
5.3 主梁縱向計算分析
采用橋梁博士進行主梁縱向計算,根據(jù)主梁構造特點對其進行離散并建立梁單元模型,輸入鋼束、施工階段信息和汽車及人群荷載、溫度及不均勻沉降等信息,完成主梁縱向計算模型的創(chuàng)建。根據(jù)D60進行荷載效應組合,并根據(jù)D62對主梁縱向計算結果進行分析。
5.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算
主梁承載能力極限狀態(tài)驗算取用D60第4.1.6條規(guī)定的基本組合,結構重要性系數(shù)1.1,對主梁抗彎、抗剪承載能力極限狀態(tài)進行驗算。
5.3.1.1 主梁抗彎承載能力極限狀態(tài)驗算
頂?shù)装蹇v向鋼筋直徑16 mm,間距150 mm。
通過計算,主梁跨中斷面最大外荷載彎矩為119 324 k N·m,跨中斷面最大抗彎承載力為139 838 k N·m;墩頂斷面最大外荷載彎矩為108 558 k N·m,墩頂斷面最大抗彎承載力為152 493 k N·m;主梁抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。5.3.1.2主梁抗彎承載能力極限狀態(tài)驗算
結構尺寸、鋼束布置按實際結構計取,箍筋直徑16 mm,間距150 mm,橫梁附近2m范圍內間距加密至100 mm。根據(jù)D62第5.2.6~5.2.11條的相關規(guī)定進行主梁抗剪承載能力極限狀態(tài)的驗算,通過計算可知主梁構造尺寸和抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求。
5.3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算
按規(guī)范要求考慮主梁頂?shù)装逵行挾炔⒔?jīng)調束計算,主梁在正常使用極限狀態(tài)下的應力均能滿足A類預應力混凝土構件抗裂驗算要求,主梁剛度亦滿足規(guī)范要求,主要計算結果如下(其中應力以壓為“+”,以拉為“-”)。
5.3.2.1 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算
在作用短期、長期效應組合下正截面和斜截面抗裂驗算結果如下。
短期效應組合最小正應力1.17 MPa,小于規(guī)范要求的0.7ftk=0.7×2.65 MPa=1.855 MPa;長期效應組合下基本未出現(xiàn)拉應力;短期效應組合最小主拉應力1.14 MPa,小于規(guī)范要求的0.5ftk=0.5× 2.65 MPa=1.325 MPa,滿足規(guī)范對A類構件的抗裂要求。
5.3.2.2 持久狀況混凝土應力驗算
主梁持久狀況下的應力驗算結果如下。
最大正截面壓應力10.67 MPa,小于規(guī)范要求的0.5fck=0.5×32.4M P a=16.2 MPa;最大主壓應力10.67 MPa,小于規(guī)范要求的0.6fck=0.6×32.4 MPa= 19.44 MPa;滿足規(guī)范要求。
5.3.2.3 持久狀況鋼束應力驗算
鋼束容許拉應力為0.65fpk=0.65×1 860 MPa= 1 209M P a,持久狀況下部分鋼束最大應力1 246M P a,僅超出3.1%,基本滿足規(guī)范要求。
5.3.2.4 撓度驗算與預拱度計算
D62第6.5.3條規(guī)定,受彎構件在使用階段的撓度應考慮荷載長期效應的影響。本橋主梁采用C50高性能混凝土,由規(guī)范插值求得撓度長期影響系數(shù)ηθ=1.425,消除結構自重產(chǎn)生的長期撓度后,主梁的最大撓度不應超過計算跨徑的1/600。
通過計算,主梁最大撓度在跨中位置,消除結構自重后的長期撓度最大值4.4 mm,小于撓度驗算容許值[L/600]=60 mm,滿足規(guī)范要求。
根據(jù)D62第6.5.4條規(guī)定算得預加應力長期反拱24 mm,荷載短期效應組合計算的長期撓度-22.65 mm(負值代表下?lián)希?,根?jù)D62第6.5.5條的規(guī)定,預加應力產(chǎn)生的長期反拱值大于按荷載短期效應組合計算的長期撓度值時,主梁不設預拱度。
5.3.3 短暫狀況應力驗算
根據(jù)D62第7.2.8條的規(guī)定,對主梁進行施工階段的應力驗算:施工階段最大正截面壓應力7.1M P a,小于規(guī)范要求的0.7fck’=0.7×32.4 MPa=22.68 MPa;施工階段正截面未出現(xiàn)拉應力,小于規(guī)范要求的0.7ftk’=0.7×2.65 MPa=1.855 MPa,滿足規(guī)范要求。
5.3.4 主梁計算結論
根據(jù)以上驗算結果可知:主梁承載能力滿足規(guī)范要求;主梁各截面應力狀況滿足規(guī)范要求;主梁剛度滿足規(guī)范要求。
連續(xù)箱梁具有整體性好、適應性好、施工工藝成熟等優(yōu)點。在充分考慮技術先進、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟合理的橋梁設計原則下,對舟山市小干二橋引橋某聯(lián)2×36 m連續(xù)箱梁橋進行了精細設計及計算,結果表明結構構造尺寸合理,各項驗算指標滿足規(guī)范要求。該聯(lián)連續(xù)箱梁橋,在結構尺寸擬定和鋼束配置等方面,可為今后類似橋梁工程提供一定的參考。
U442
B
1009-7716(2017)06-0137-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.040
2017-03-13
謝居才(1983-),男,河南周口人,工程師,從事橋梁工程設計工作。