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        鋼混組合板梁與裝配式T梁橋墩抗震性能對比研究

        2019-09-26 06:28:04
        山西交通科技 2019年4期
        關(guān)鍵詞:板梁鋼混梁橋

        賀 煒

        (山西省交通科技研發(fā)有限公司,山西 太原 030032)

        0 引言

        鋼混組合結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)型式,眾所周知,混凝土具有很強(qiáng)的抗壓性能和較高的剛度,但其抗拉性能卻很低;而鋼材力學(xué)性能突出,強(qiáng)度高且耐久性好,但因一般均為薄壁結(jié)構(gòu),其穩(wěn)定性較差。鋼混組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了兩種材料各自的力學(xué)優(yōu)勢,使鋼材受拉、混凝土受壓,組合后共同承擔(dān)荷載,大大提高了材料的使用性能。大量的工程實(shí)例表明,組合結(jié)構(gòu)不僅具有良好的受力性能,而且繼承了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自在施工性能、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)點(diǎn),因此可以說在綜合效益上具有強(qiáng)大的競爭力[1]。

        1 概況

        本文選取了某高速公路上常見的路基寬度26 m的雙向六車道橋梁作為研究對象,橋跨布置為4×40 m。上部結(jié)構(gòu):鋼混組合板梁由4片工字型鋼主梁組成,每個(gè)鋼主梁由3塊鋼板焊接而成,梁高2 050 mm,橋面板厚250 mm;預(yù)應(yīng)力裝配式T梁由6片混凝土T梁組成,梁高為2 500 mm。上部結(jié)構(gòu)斷面如圖1、圖2所示。下部結(jié)構(gòu):橋墩采用等截面矩形空心薄壁墩,截面見圖3所示,縱橋向?qū)挾菳根據(jù)墩高不同選擇;基礎(chǔ):整體式矩形承臺接群樁基礎(chǔ)。

        圖1 鋼混組合板梁橋斷面(單位:mm)

        圖2 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁梁面

        圖3 橋墩典型斷面(單位:cm)

        2 模型建立

        本文針對鋼混組合板梁橋抗震性能展開討論,通過有限元程序Midas對研究對象橋梁建立空間分析模型,鋼混組合板梁采用梁格模型,預(yù)應(yīng)力裝配式T梁采用單梁模型??拐鸱治鲆?×40 m一聯(lián)橋?yàn)檠芯繉ο?,并建立包含該?lián)前、后各聯(lián)橋梁,以考慮臨聯(lián)結(jié)構(gòu)及邊界的影響[2]。

        裝配式T梁上部主梁采用C50混凝土,組合鋼板梁主梁采用Q345,橋面板采用C50混凝土;下部橋墩、蓋梁均采用C40混凝土;承臺、樁基采用C30混凝土。樁土作用按m法確定樁側(cè)土彈簧剛度,土的抗力系數(shù)m值在地震工況下一般取2~3倍的靜力值,根據(jù)地質(zhì)條件,m值取為20 000 kN/m4,[3]全橋有限元模型如圖4所示。

        圖4 全橋有限元模型

        3 抗震分析

        為了研究地震效應(yīng)對鋼混組合板梁橋和裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋的影響,選取了3條地震波進(jìn)行輸入,地震作用組合采用:順橋向地震+恒載和橫橋向地震+恒載兩種工況。3條地震波時(shí)程曲線如圖5~圖7所示。

        圖5 波1時(shí)程曲線

        圖6 波2時(shí)程曲線

        圖7 波3時(shí)程曲線

        3.1 橋墩內(nèi)力分析

        各主墩地震效應(yīng)見表1~表4。

        表1 鋼混組合板梁在順橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

        表2 鋼混組合板梁在橫橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

        分析表1、表2發(fā)現(xiàn),各墩豎向軸力基本相當(dāng),由于橋墩的橫向抗推剛度相對于縱向要大,因此順橋向地震效應(yīng)較橫橋向地震小許多。

        表3 裝配式混凝土T梁在順橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

        表4 裝配式混凝土T梁在橫橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

        分析表1~表4發(fā)現(xiàn),由于裝配式混凝土T梁較鋼混組合板梁自重重許多,鋼混組合板梁橋下部地震效應(yīng)約為裝配式混凝土T梁的40%,從而可以減少下部工程規(guī)模,降低工程造價(jià)。

        3.2 橋墩位移分析

        在地震波作用下,橋墩墩頂位移量如表5、表6所示。

        分析表5、表6可見,鋼混組合板梁橋地震作用下墩頂位移量相比混凝土T梁明顯減小,縱向降幅17%~41%,平均約30%;橫向降幅39%~55%,平均約45%。

        表5 地震作用下墩頂縱向變形

        表6 地震作用下墩頂橫向變形

        4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

        通過對裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁及鋼混組合板梁,從施工及上部材料用量上進(jìn)行對比。

        表7 上部結(jié)構(gòu)材料及施工對比表

        通過分析比較可以得出,組合鋼板梁鋼材用量大,但混凝土、鋼筋的用量遠(yuǎn)小于T型梁,每平米用量分別為T梁的50%、38%。并且全壽命周期成本優(yōu)勢較混凝土明顯,在現(xiàn)代橋梁建設(shè)的需求下,鋼混組合板梁由于受力性能好、工期短、施工便利,在40 m跨徑下是一個(gè)很好的結(jié)構(gòu)形式。

        5 結(jié)語

        本文通過抗震分析和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個(gè)方面對鋼混組合板梁與裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行了對比,得出以下結(jié)論:

        a)地震效應(yīng)方面 由于鋼混組合板梁自重較預(yù)制T梁輕很多,橋墩在地震作用下效應(yīng)明顯降低,墩底內(nèi)力約為裝配式T梁的40%,從而降低下部工程規(guī)模。

        b)從主要材料指標(biāo)對比 綜合比較橋梁的上部結(jié)構(gòu)組成部分,盡管組合鋼板梁鋼材用量大,但是混凝土、鋼筋的用量遠(yuǎn)小于T型梁,綜合單價(jià)相比T梁低,且耐久性好,全壽命周期成本低,使得鋼混組合板梁在中小跨徑中具有較為明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

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