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        一種π型截面梁橋的工程性能分析

        2021-01-28 06:02:20覃仁昊
        黑龍江交通科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:空心支座效率

        張 興,覃仁昊

        (中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司貴州分公司,貴州 貴陽 550000)

        1 前 言

        裝配式PC/RC空心板橋因?yàn)榫哂袠?gòu)造簡(jiǎn)單、建筑高度小、利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工廠化生產(chǎn)、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在公路與城市橋梁上應(yīng)用廣泛,但是隨著交通量的迅速增大,超載、超限車輛越來越多,橋梁病害也隨之增多。文獻(xiàn)表明,在已發(fā)現(xiàn)的橋梁病害中,裝配式PC/RC空心板橋占比較大。裝配式空心板的主要病害有:鉸縫損傷、開裂;板端應(yīng)預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的裂縫;板體縱、橫裂縫;支座脫落、板的撓度過大等;這些病害對(duì)于空心板橋的承載力、耐久性和使用性能均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。由于空心板在使用中存在的問題,目前已經(jīng)有城市頒布相關(guān)條例,擬減少空心板在公路建設(shè)中的應(yīng)用。

        目前基于空心板的改進(jìn)方法,主要用兩種思路一種是針對(duì)鉸縫及其相關(guān)部分的改進(jìn);另一種是摒棄傳統(tǒng)的構(gòu)造,提出適用于中小跨徑的裝配式混凝土梁板的新型結(jié)構(gòu)形式——席進(jìn)等人提出了低高度密肋式預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁來代替空心板橋,并針對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)分析;雷波等人針對(duì)此類截面進(jìn)行了截面效率分析,得出了該類截面適用于小跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

        本研究依托實(shí)際工程項(xiàng)目貴州省六盤水市六枝特區(qū)永豐大橋項(xiàng)目,一座主跨125 m上承式鋼筋混凝土拱橋,在設(shè)計(jì)過程中,拱上建筑的結(jié)構(gòu)形式的合理選擇,對(duì)于該項(xiàng)目的后期的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)有著至關(guān)重要的作用。為了克服空心板橋存在的這些問題,受文獻(xiàn)的啟發(fā),結(jié)合工程的現(xiàn)實(shí)情況,本著“結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、方便施工”的原則,提出一種低高度π型截面梁方案應(yīng)用于拱上車道板。本文主要針對(duì)這種π型截面梁的工程性能進(jìn)行分析,并與傳統(tǒng)的空心板進(jìn)行對(duì)比。

        2 工程背景

        貴州省六盤水市六枝特區(qū)永豐大橋項(xiàng)目位于六枝特區(qū)巖腳鎮(zhèn)與龍河鎮(zhèn)交界處,橫跨巖腳河,是《六枝特區(qū)干線公路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分,建成后將大幅改善兩地交通狀況,對(duì)于河兩岸的經(jīng)濟(jì)、文化交流大有裨益。永豐大橋主橋?yàn)橐豢?25 m上承式鋼筋RC箱型拱橋,橋?qū)?1.4 m,矢跨比1/5,拱上建筑為11×12.3 m的PCπ型梁。π型梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 拱上車道板橫斷面圖

        這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是,一片π型梁由兩個(gè)矮T梁通過剛接形成,架設(shè)以后,再通過濕接縫形成橋面,濕接縫數(shù)量少,大部分接縫在預(yù)制場(chǎng)完成,接縫質(zhì)量可控。預(yù)應(yīng)力梁肋中心配置,可以避免T梁預(yù)制時(shí)產(chǎn)生側(cè)彎的情況;同時(shí),由于采用兩片矮T梁連接而成,安裝時(shí),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不需要采取專門的穩(wěn)定措施,避免的T梁安裝過程中存在翻倒的風(fēng)險(xiǎn)。

        3 構(gòu)造方面的對(duì)比分析

        如圖1所示,為π型梁的標(biāo)準(zhǔn)截面,通過與13 m空心標(biāo)準(zhǔn)圖的構(gòu)造對(duì)比,可以得出以下結(jié)論。

        π型梁為開口型截面,相比空心板這類閉口型截面具有預(yù)制簡(jiǎn)單,脫模方便的優(yōu)點(diǎn),且無內(nèi)模,避免了空心板因?yàn)閮?nèi)模上浮,壓縮頂板厚度的問題;后期使用中,相比空心板,π型梁具有便于維護(hù)和檢修的優(yōu)勢(shì)。

        π型梁橫向連接采用現(xiàn)澆濕接縫,屬于剛性接頭,施工易實(shí)現(xiàn),相比空心板的接縫,剛度大,橫向聯(lián)系更加穩(wěn)固,避免了空心板因?yàn)殂q縫損壞造成單板受力的問題,且濕接縫接縫數(shù)量少,便于施工。

        π型梁的支座設(shè)置在每個(gè)梁肋下,為單支座,而每片空心板則需要設(shè)置雙支座,安裝時(shí)容易出現(xiàn)支座脫空的情況;且支座數(shù)量多,加重后期維護(hù)和檢修的工作量。

        吊裝次數(shù)少,梁片數(shù)相比空心大幅減少,能減少梁的預(yù)制批次和吊裝循環(huán)次數(shù),極大的減少施工循環(huán)作業(yè)次數(shù)。

        相比空心板,π型梁可稍加改造形成結(jié)構(gòu)連續(xù)結(jié)構(gòu)。

        4 力學(xué)性能的對(duì)比分析

        4.1 截面效率分析

        為了驗(yàn)證所擬定的π型梁截面尺寸的合理性,計(jì)算該截面的截面效率。有關(guān)截面效率的定義可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

        圖2 截面效率計(jì)算示意圖

        (1)

        (Ny-ΔNy)(ks+kx)=Mg2+p

        (2)

        (3)

        根據(jù)以上公式,計(jì)算得出表1。

        表1 截面效率指標(biāo)對(duì)比

        從表1中可以看出,π型梁的截面效率指標(biāo)明顯高于空心板的截面效率指標(biāo),約為空心板的170%,這說明π型梁相比空心板具有更高的活載承載能力。

        另外,截面效率指標(biāo)的合理區(qū)間為0.45~0.55,據(jù)此,本項(xiàng)目采用的π型梁截面是合理可行的。

        4.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

        為了便于比較,采用L=13 m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑,對(duì)π型梁和空心板進(jìn)行對(duì)比。采用有限單元法,基于Midas/Civil 2015,分別建立兩種截面的簡(jiǎn)支梁有限元模型,在滿足現(xiàn)行《公路公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范JTG3362-2018》驗(yàn)算內(nèi)容的前提下,選取π型梁的一肢與一片空心板進(jìn)行對(duì)比。對(duì)結(jié)構(gòu)的基頻,內(nèi)力和跨中撓度等進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果如表2~表4所示。

        表2 π型梁和空心板荷載效應(yīng)對(duì)比

        表3 兩種結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)比值

        表4 結(jié)構(gòu)基頻對(duì)比(前3階)

        由表1可以看出,在恒載狀態(tài)下,兩種結(jié)構(gòu)的反力、剪力及彎矩效應(yīng)具有相當(dāng)?shù)男?yīng)水平,但恒載狀態(tài)下,空心板的跨中撓度是π型梁的183%,在“恒+活載”狀態(tài)下,由于橫向分布系數(shù)較大,π型梁的反力、剪力及彎矩效應(yīng)均明顯高于空心板,但是跨中撓度僅為空心板的68%,說明π型梁相比空心板,具有更高的抗彎剛度,抵抗因外荷載引起變形的能力更強(qiáng)。

        由表2可以看出,空心板相比π型梁,抗力效應(yīng)比值較大,這說明,此時(shí)空心板的承載能力仍然具有較大的富余量,但是根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果判斷,如若繼續(xù)增大空心板的荷載,結(jié)構(gòu)的撓曲變形必將繼續(xù)增大,過大的撓曲變形在長(zhǎng)期的使用中,必然會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能、耐久性能和承載能力。這一情況也從側(cè)面印證了撓度過大,是目前空心板結(jié)構(gòu)存在的主要病害之一。

        由表3可以看出,兩種結(jié)構(gòu)的前三階振型相同,π型梁的豎向?qū)ΨQ振動(dòng)基頻為7.5 hz,空心板的豎向?qū)ΨQ振動(dòng)基頻為6.4 hz,也從側(cè)面反映π型梁具有較高的豎向剛度。這對(duì)于以受彎為主的梁結(jié)構(gòu)來說,較高的豎向剛度對(duì)于減小跨中的下?lián)?,有積極的作用。其他的兩種振型也表明,π型梁在豎向和橫向的剛度均均比空心板的更大。

        同時(shí),由于自振頻率較低,在汽車和人群荷載的激勵(lì)下,空心板更容易發(fā)生受迫振動(dòng),行車和行人過橋時(shí),更易感知結(jié)構(gòu)振動(dòng),引起不適。

        綜上所述,在力學(xué)性能方面,π型梁比空心板,具有截面效率高,活載承載能力更強(qiáng)、通行舒適性更好等優(yōu)勢(shì)。

        5 經(jīng)濟(jì)性能的對(duì)比分析

        在對(duì)比了力學(xué)性能后,現(xiàn)在將對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行對(duì)比,以主材為對(duì)象,對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的工程經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果如表5所示。

        表5 兩種結(jié)構(gòu)的主要材料參數(shù)(單跨)

        由表5可以看出,在混凝土用量和預(yù)應(yīng)力鋼束用量上,π型梁均比空心板要少,但普通鋼筋用量相比空心板要高,混凝土按500元/m3,普通鋼筋按4 000元/t,鋼絞線按5 000元/t計(jì),π型梁在材料費(fèi)用上相比空心板高約25%。但是,在施工環(huán)節(jié)上,就本項(xiàng)目而言,采用π型梁,纜索吊需往返吊裝44次,濕接縫施工33道;若采用空心板,纜索吊需往返吊裝99次,鉸縫施工88道。按平均2片/天的吊裝進(jìn)度,能節(jié)約至少1個(gè)月的工期。這期間節(jié)約的設(shè)備租金、人工費(fèi)用以及提前通車帶來的經(jīng)濟(jì)效益,將遠(yuǎn)超過材料成本的付出。因此,采用π型梁,對(duì)于方便施工和節(jié)省工期來說是有利的。

        6 結(jié)論及展望

        (1)π型梁采用開口結(jié)構(gòu),預(yù)制時(shí)模板的安裝、脫模簡(jiǎn)單;

        (2)每片π型梁之間采用剛接,減少了接縫數(shù)量,結(jié)構(gòu)受力明確,結(jié)構(gòu)的整體性能更佳,避免了空心板鉸縫易破壞的問題;

        (3)π型梁相比空心板,具有更高的承載效率,截面的利用率更高;

        (4)π型梁相比空心板,結(jié)構(gòu)的抗彎剛度更大,撓曲變形更小,對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的耐久性有積極的作用;

        (5)π型梁自振頻率較高,不易受行人和車輛的頻率激勵(lì)而產(chǎn)生受迫振動(dòng),通行舒適性更佳;

        (6)用于拱上建筑時(shí),π型梁相比空心板,普通鋼筋消耗略高,但方便施工、節(jié)約工期和成本,從項(xiàng)目遠(yuǎn)期價(jià)值來看,具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

        目前,該項(xiàng)目仍在施工,從目前的分析來看,該種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景可期,該種結(jié)構(gòu)也是首次在貴州省內(nèi)項(xiàng)目采用,其工程性能還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

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