解 冰
(廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510080)
波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是一種新型組合結(jié)構(gòu)橋梁,有效地利用了波形鋼腹板的受力特點(diǎn),可延長橋梁的使用壽命,近年來這種組合結(jié)構(gòu)橋梁在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的連續(xù)梁橋相比較,波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有如下幾個優(yōu)點(diǎn):①材料綜合利用率高,經(jīng)濟(jì)效益較好;②梁可同時采用體內(nèi)、體外2 種預(yù)應(yīng)力,延長結(jié)構(gòu)使用壽命;③降底了上部結(jié)構(gòu)的自重,抗震性能較好;④大大減少了模板支護(hù)和混凝土澆筑,縮短了施工周期;⑤鋼腹板不易開裂,提高了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性[1,2]。
2017 年,國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):CJJ/T 272-2017》頒布實(shí)施,為波形鋼腹板的設(shè)計(jì)提供了全國性的參考依據(jù)。廣大學(xué)者也對波形鋼腹板梁橋的力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究,聶建國等人[3,4]對波形鋼腹板梁進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度和剪切變形分析,提出了彈性剪切屈曲強(qiáng)度和有效剛度法。陳寶春等人[5,6]對國內(nèi)外波形鋼腹板梁橋進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),分析了這種梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并闡明了發(fā)展趨勢。陳宜言等人[7,8]介紹了波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋的適用范圍,并對抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。董桔燦等人[9,10]對波形鋼腹板梁橋進(jìn)行了抗扭承載力和有效翼緣寬度研究,提出了抗彎和抗扭承載力簡化計(jì)算公式。
本文針對波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn),以廣州某特大橋?yàn)楸尘肮こ踢M(jìn)行了力學(xué)性能分析,具體包括主梁上下緣混凝土在施工階段、正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的受力驗(yàn)算,波形鋼腹板的剪切破壞及剪切屈曲破壞驗(yàn)算,以及樁基的承載能力計(jì)算,探討了將這種新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于設(shè)計(jì)施工的可行性。
廣州某特大橋是廣州市紅棉大道工程一期的一座波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,橋梁的邊跨為78 m,主跨為130 m,邊跨與中跨比值為0.6,橋型具體布置如圖1 所示。橋梁除支座處采用混凝土腹板,其他梁段均設(shè)置波形鋼腹板。由于該類型橋梁的抗扭剛度比常見的混凝土腹板梁橋偏弱,所以每隔一定距離給主梁設(shè)置了1個橫隔板,以提高主梁的抗扭剛度。其中,邊跨和中跨分別設(shè)置2道和4道橫隔板,橫隔板的厚度為0.5 m。并且,箱梁在0#塊混凝土梁段設(shè)置1道3 m 寬的中橫梁,邊跨端部各設(shè)置1 道1.75 m 寬的橫梁。此外,波形鋼腹板采用體外預(yù)應(yīng)力索,并將轉(zhuǎn)向塊設(shè)計(jì)為橫隔形式,以達(dá)到構(gòu)造統(tǒng)一。波形鋼腹板采用1600 型,波高為220 mm,厚度為12~24 mm。橋梁采用柱式橋墩,基礎(chǔ)為嵌巖樁。中墩處主梁斷面如圖1所示,大橋施工現(xiàn)場如圖2所示。
圖1 橋梁立面Fig.1 Side View of Bridge (cm)
圖2 施工現(xiàn)場Fig.2 Construction Site
運(yùn)用軟件MIDAS CIVIL 建立了上部結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合施工方法及其構(gòu)造特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散,以準(zhǔn)確模擬其空間尺寸、支座約束、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等。模型共由70個梁單元組成,不考慮橋面鋪裝對上部結(jié)構(gòu)剛度的增大效應(yīng),僅作為二期恒載施加。由于波形鋼腹板的抗彎剛度非常小,幾乎不承受縱橋向彎矩,因此模型中僅考慮混凝土頂?shù)装鍖χ髁簞偠鹊呢暙I(xiàn),忽略波形鋼腹板對縱向抗彎剛度的影響[11]。本模型中混凝土強(qiáng)度為C55,波形鋼腹板采用Q345qC 鋼,預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fp=1 860 MPa。
為了準(zhǔn)確模擬主梁施工階段受力情況,本模型施工階段按如下步驟劃分:①架設(shè)橋墩,澆筑0#塊混凝土,張拉0#塊混凝土相應(yīng)鋼束,再安裝1#塊混凝土掛籃,掛籃重按1 900 kN 計(jì);②按構(gòu)件實(shí)際重量的1.2 倍加載1#塊混凝土濕重,張拉1#塊混凝土相應(yīng)鋼束,然后掛籃前移;③重復(fù)步驟②過程,每一塊周期為7 d,直到12#塊混凝土的鋼束張拉完畢;④澆筑邊跨現(xiàn)澆段,合攏邊跨;⑤合攏中跨,拆除掛籃,體系轉(zhuǎn)換;⑥施工橋面系,并加載二期恒載;⑦進(jìn)入運(yùn)營階段。
圖3 施工階段半橋混凝土應(yīng)力Fig.3 Concrete Stress of Half Bridge during Construction
各種荷載組合下,正常使用極限狀態(tài)半橋混凝土上下緣的應(yīng)力包絡(luò)圖如圖4 所示。從圖4 中可以看出,在預(yù)應(yīng)力作用下,主梁上下緣混凝土全截面受壓,沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。支座處混凝土壓應(yīng)力減小,主要是由于該處設(shè)置了混凝土腹板,增加了混凝土的受力面積。此外,負(fù)彎矩產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力也可導(dǎo)致壓應(yīng)力的減小。根據(jù)以上分析可以得出,該特大橋主梁混凝土屬于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,且滿足正截面抗裂要求。圖4 中混凝土的最大壓應(yīng)力σc=12.8 MPa,小于文獻(xiàn)[12]第7.1.5條的限值0.5fck=17.75 MPa,滿足使用階段混凝土正截面壓應(yīng)力規(guī)定。
圖4 正常使用極限狀態(tài)下半橋混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖Fig.4 Concrete Stress Envelope Diagram of Half Bridge Under Serviceability Limit State(MPa)
由于波形鋼腹板的折褶效應(yīng),在抗彎承載能力計(jì)算中不考慮波形鋼腹板的作用,僅由頂、底板承擔(dān)彎矩,主梁正截面抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。從圖5中可以看出,主梁中墩處負(fù)彎矩較大,但是該處為混凝土腹板,抗彎能力較強(qiáng),其余截面通過合理構(gòu)造,混凝土頂?shù)装蹇梢缘挚瓜鄳?yīng)的彎矩。因此,主梁正截面結(jié)構(gòu)抗力均大于所承擔(dān)的彎矩值,抗彎承載能力符合規(guī)范規(guī)定。
圖5 半橋抗彎承載力計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation Results of Bending Capacity of Half Bridge
波形鋼腹板在使用過程中可能發(fā)生剪切破壞及剪切屈曲破壞,其中剪切屈曲破壞又分為局部剪切屈曲破壞、整體剪切屈曲破壞及組合剪切屈曲破壞3 種模式,因此需要分情況對波形鋼腹板進(jìn)行驗(yàn)算,以確保橋梁的正常使用。圖6 展示了1600 型波形鋼腹板尺寸,圖7 統(tǒng)計(jì)了波形鋼腹板在承載能力極限狀態(tài)下的剪應(yīng)力τd,彈性局部屈曲臨界剪應(yīng)力τeL,彈性整體屈曲臨界剪應(yīng)力τeG。由于單元1、2 和21 為混凝土腹板,故圖7中沒有列出單元1、2和21的剪應(yīng)力。
根據(jù)《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):CJJ/T 272-2017》[13]第5.2.2 條規(guī)定,由豎向彎曲和自由扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力τd應(yīng)滿足式⑴,其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。從計(jì)算可知,剪應(yīng)力最大值τd,max=116.20 MPa,則γ0τd,max=127.82 MPa<fvd=155.00 MPa,表明波形鋼腹板承載能力極限狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度滿足要求,其中fvd為鋼腹板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
圖6 波形鋼腹板截面尺寸Fig.6 Section Size of Corrugated Steel Web (cm)
圖7 半橋波形鋼腹板的剪切應(yīng)力Fig.7 Shear Stress of Corrugated Steel Web of Half Bridge
本橋下部結(jié)構(gòu)主墩端部采用圓形截面,承臺厚4.0 m,下設(shè)雙排樁基礎(chǔ),樁徑2.5 m,順橋向間距5.5 m,橫橋向單幅3根樁間距5.5 m,并對稱布置。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范:JTG 3363-2019》[14]第6.3.7條知,支承在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆(挖)孔樁、沉樁的單樁軸向受壓承載力容許值Ra可通過文獻(xiàn)[14]的公式進(jìn)行計(jì)算。
本文以1#樁基為例,其周圍的土層情況依次為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、礫砂、粉質(zhì)粘土、微風(fēng)化灰?guī)r、微風(fēng)化砂巖。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知各類土和巖石的樁側(cè)摩阻力以及微風(fēng)化砂巖的樁端摩阻力,其中q1k=15 kPa,q2k=15 kPa,q3k=60 kPa,q4k=60 kPa,q5k=800 kPa,q6k=600 kPa。微風(fēng)化砂巖的frk=50 000 kPa,Ap=4.906 m2,μ=7.85 m,根據(jù)文獻(xiàn)[14]可得c1=0.6,c2=0.5,其中c1是端阻發(fā)揮系數(shù),c2是側(cè)阻發(fā)揮系數(shù),所以Ra=278 618.565 kN。而計(jì)算的單樁軸力為19 112.71 kN,全橋安全系數(shù)為γ0=1.1,故γ0N=21 023.98 kN<Ra。
根據(jù)上述驗(yàn)算過程,分別對該橋左幅16#橋墩下6根樁基進(jìn)行單樁承載能力驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果如表1所示,可知大橋左幅16#橋墩的樁基礎(chǔ)軸向承載力滿足要求。
表1 單樁承載能力Tab.1 Bearing Capacity of Single Pile
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,人們對橋梁的結(jié)構(gòu)形式不斷開拓創(chuàng)新,推動了橋梁領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。本文以廣州某特大橋?yàn)檠芯勘尘?,對波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行了較為系統(tǒng)的力學(xué)性能分析,在研究范圍內(nèi)得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)知。
⑴該特大橋在整個施工階段和正常使用極限狀態(tài)下主梁頂?shù)装寤炷恋膽?yīng)力均滿足文獻(xiàn)[12]限值,承載能力極限狀態(tài)下主梁抗力大于效應(yīng),并且嵌巖樁承載能力具有較大的安全系數(shù),表明該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,力學(xué)性能良好。
⑵由彎曲和扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,并且彈性局部屈曲臨界剪應(yīng)力、整體屈曲臨界剪應(yīng)力和組合屈曲臨界剪應(yīng)力均大于文獻(xiàn)[13]限值,表明波形鋼腹板不會發(fā)生剪切破壞和剪切屈曲破壞。
⑶相比于傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,波形鋼腹板的抗彎剛度非常小,但是只要設(shè)計(jì)合理,主梁頂?shù)装蹇梢猿袚?dān)上部荷載產(chǎn)生的全部彎矩,而波形鋼腹板可承擔(dān)剪力,結(jié)構(gòu)傳力清晰,2種材料的優(yōu)勢均得到了發(fā)揮。