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        裝配式鋼-混疊合箱梁設(shè)計要點分析

        2018-11-09 07:06:20李曉龍張敦寶
        城市道橋與防洪 2018年10期
        關(guān)鍵詞:徐變高架橋主梁

        李曉龍,張敦寶

        (1.山東高速科技發(fā)展集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250002;2.中鐵二院昆明勘察設(shè)計院有限公司,云南 昆明 650200)

        0 引言

        21世紀(jì)以來,城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速,傳統(tǒng)的高架橋設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足新時期各種新生條件,鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)不僅極大地減少了現(xiàn)場施工難度,縮短施工工期,并且能夠滿足質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、高效等的施工要求,是適應(yīng)時代發(fā)展的一種組合橋梁結(jié)構(gòu)形式。鋼-混疊合箱梁能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土剛度、強度優(yōu)勢,結(jié)構(gòu)重量相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極大減少,耐久性得到提升[1-2]。

        1 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

        1.1 工程概況

        某市擬建以主線為四車道公路標(biāo)準(zhǔn)的特大高架橋一座,擬建橋梁全長4.8 km。為了避免工期過長對城市交通造成過大的影響,高架橋主線全線采用裝配式吊裝結(jié)構(gòu),其中跨越被交道路,中小跨徑橋梁采用鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)。本文針對鋼-混疊合梁設(shè)計相關(guān)理論進(jìn)行分析。

        1.2 斷面形式選擇

        當(dāng)前常見的鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)形式主要有Ⅰ形、∏形、箱形、倒梯形、三角形等,鋼梁部分主要的形式有鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁架等[3]。因為鋼-混疊合梁跨徑較大,橋梁橫斷面較寬[4],因此疊合梁鋼主梁部分采用多主梁形式,這種結(jié)構(gòu)形式方便運輸及施工吊裝。經(jīng)過綜合對比,鋼-混疊合梁采用簡支結(jié)構(gòu),箱梁采用開口截面形式。此種鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)外形與高架橋其他上部小箱梁結(jié)構(gòu)相一致,景觀上比較相適應(yīng)[5]。

        1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及主要技術(shù)特點

        鋼-混疊合梁鋼結(jié)構(gòu)部分采用Q345qD級鋼材,彈性模量為 2.06×105MPa,泊松比為 0.3,膨脹系數(shù)為 1.2×10-5,鋼材容重 78.5 kN/m3。采用C50混凝土,彈性模量為 3.45×104MPa,泊松比為0.2,膨脹系數(shù)為1.0×10-5。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用s15.2,fpk=1 860 MPa,EP=1.95×105MPa,梁段采用工廠制作,現(xiàn)場拼接。

        鋼-混疊合梁受力階段為一階段,施工階段在L/3和2L/3處設(shè)置臨時支撐,并且需要具備以下條件:

        (1)結(jié)構(gòu)形式主要以多主梁形式為主,預(yù)制箱梁自重輕,運輸安裝比較方便,對交通、環(huán)境影響較小。

        (2)主梁采用開口截面形式,整體結(jié)構(gòu)剛度比較大,受力性能比較好,梁高相對于工字形梁減少,有利于降低建筑物高度,節(jié)省成本,結(jié)構(gòu)比較輕盈,降低材料使用量,有利于把控總體橋梁設(shè)計的控制。

        (3)橋面板由橋梁預(yù)制廠分塊預(yù)制,質(zhì)量得到有效保證,并進(jìn)行預(yù)拼裝,確認(rèn)無誤方可運至現(xiàn)場安裝,減少了現(xiàn)場施工工作量,減少了現(xiàn)場施工對周邊環(huán)境的影響。

        (4)結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)實際受力特點以及便于預(yù)制廠施工及運輸?shù)暮侠硇问?,進(jìn)一步提升橋梁上部結(jié)構(gòu)裝配施工效率,充分體現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、高效的施工理念。

        2 橋梁上部結(jié)構(gòu)計算分析

        2.1 計算方法與基本假定

        鋼-混疊合梁在開裂前,沿截面高度的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律基本上符合平面假定。鋼-混疊合梁在開裂前,應(yīng)力、應(yīng)變場的計算繼續(xù)沿用彈性理論,采用截面換算,引入兩種材料的彈性模量比的概念。針對混凝土梁部分產(chǎn)生的收縮和徐變及其產(chǎn)生的應(yīng)力,近似換算成彈性模量進(jìn)行計算。本文對計算上部結(jié)構(gòu)受力采用的是平面桿系程序計算截面內(nèi)力,應(yīng)力計算過程中采用換算彈性模量計算截面特性。

        在混凝土與鋼梁連接牢固的前提之下,截面彎曲時的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律符合平面假定條件,材料受力符合胡克定律,建立簡化模型。

        (1)根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015),計算截面在受短期荷載作用下建立鋼材與混凝土的彈性模量比n0、換算面積Fi、換算慣性矩Ii,換算公式如下:

        (2)根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》,對組合梁進(jìn)行整體受力分析,分析過程中考慮混凝土收縮徐變的影響,建立鋼材與混凝土長期結(jié)合受力作用下的有效彈模比計算公式:

        式中:φ(t,t0)表示混凝土的加載齡期為t0時,計算齡期為t時的混凝土徐變系數(shù)。系數(shù)按照現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)中的相關(guān)規(guī)定取值,其中ΨL為根據(jù)所受荷載類型取的徐變因子,永久作用取值1.1,混凝土的收縮作用取值0.55,由于外界強制力引起的作用取值1.5。

        (3)對于組合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的附加應(yīng)力依據(jù)《高等橋梁結(jié)構(gòu)理論》進(jìn)行分析計算。

        2.2 主要計算結(jié)果及分析

        利用MIDAS建立55 m簡支鋼-混疊合梁模型進(jìn)行分析,模型如圖1所示。通過鋼-混疊合梁鋼主梁之間設(shè)置橫向連系梁,連系梁高1 000 mm,55 m一跨共設(shè)置10道橫向連系梁。鋼箱梁內(nèi)沿橋縱向每3 m設(shè)置一道橫隔板。

        圖1 全橋模型

        通過分析計算得到的計算結(jié)論,可以得到組合結(jié)構(gòu)主梁在承載力、剛度、鋼梁穩(wěn)定性方面均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,橋面板承載力、裂縫也能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,從結(jié)論中可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各個方面受力性能良好。由于篇幅原因,本文對各種荷載工況進(jìn)行最不利組合后進(jìn)行橋梁承載能力極限狀態(tài)計算,只將主梁跨中截面應(yīng)力計算結(jié)果列入表1中。

        表1 主梁跨中截面應(yīng)力計算結(jié)果

        計算結(jié)果表明,鋼-混疊合梁受力性能較好,結(jié)構(gòu)受力也較安全,但從結(jié)果中也能發(fā)現(xiàn)存在的一些問題:

        (1)鋼-混疊合梁中,混凝土材料的收縮、徐變對疊合梁的整體穩(wěn)定性影響不能忽視,特別是混凝土的收縮性能對整個橋梁結(jié)構(gòu)不均勻變形影響較大,能夠產(chǎn)生較大的附加變形,必須采用相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。

        (2)橋面板與鋼梁通過剪力釘結(jié)合成整體,在計算收縮徐變引起的附加效應(yīng)時忽略了滑移效應(yīng)對組合結(jié)構(gòu)整體的影響,對于構(gòu)件長期變形需要進(jìn)一步分析。

        (3)橋面的防水處理及結(jié)構(gòu)防水、防腐處理是今后鋼-混疊合梁養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵,設(shè)計部門應(yīng)該充分重視防水層與防腐層的涂裝設(shè)計。

        (4)設(shè)計中應(yīng)重視鋼-混疊合梁階段劃分及拼裝設(shè)計,及時與鋼-混疊合梁廠家溝通聯(lián)系,便于生產(chǎn)與施工。

        3 結(jié)語

        鋼-混疊合梁在實際工程應(yīng)用中能夠?qū)煞N材料的特性充分發(fā)揮出來,通過剪力鍵將鋼-混疊合梁與混凝土橋面板連接起來,共同受力,實現(xiàn)變形協(xié)調(diào),充分利用了鋼材的抗拉性和混凝土的抗壓性,顯著提高了鋼-混疊合梁整體的剛度和穩(wěn)定性。此外,鋼-混疊合梁具有結(jié)構(gòu)輕盈、跨越性大、承載能力強、抗震效果好、施工快速簡潔、結(jié)構(gòu)安全可靠等優(yōu)點,逐漸成為現(xiàn)代化城市高架橋建設(shè)的首選結(jié)構(gòu),其發(fā)展前景廣闊。

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