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        單箱多室混凝土箱梁橋面板力學性能分析及配筋設(shè)計

        2021-07-07 03:10:44李群鋒
        山西交通科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:箱梁混凝土設(shè)計

        李群鋒

        (山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司,山西 太原 030032)

        0 引言

        單箱多室混凝土箱梁橋多應(yīng)用于公路工程互通立交橋梁、跨線橋以及市政工程橋梁設(shè)計中,對于橋面板不配置橫向預(yù)應(yīng)力束的情況下,一般橋?qū)捲?0 m以上就需要設(shè)計成單箱雙室或單箱多室。單箱多室箱梁腹板可以設(shè)計成直腹板或斜腹板,公路橋梁一般為直腹板式,市政橋梁則出于美觀考慮多采用斜腹板式。本文分析對象為公路工程直腹板式單箱多室箱梁橋結(jié)構(gòu),在混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)整體計算中,將橋梁結(jié)構(gòu)簡化為單個縱向梁按有限元空間桿系進行受力分析,其橫向僅考慮橫向分布影響,沒有進行橫向計算,因此,無法得到箱梁截面橫向受力狀態(tài),也無法進行橫向配筋設(shè)計[1]。為了進一步研究其橫向受力狀態(tài)以及合理配筋,有必要進行箱梁的橫向計算。

        1 橫向計算圖式

        對于單箱多室箱梁橋的橫向計算,本文仍采用空間桿系程序。一般將箱形橫截面作為整體框架分析,在箱梁縱橋向方向截取單位長度的薄片框架,考慮橋梁縱、橫向撓曲的影響,沿腹板中軸線的豎向虛擬為彈性支撐,側(cè)向給以約束。彈性支撐的總體剛度根據(jù)主梁撓度可由式(1)確定:

        式中:w(x)為單位荷載作用于計算梁段處荷載點下的主梁撓度。

        為了方便計算,大多采用在腹板板底為剛性支承的橫向框架進行內(nèi)力分析[1],如圖1所示。

        圖1 橫向框架計算簡圖

        2 單箱多室混凝土箱梁橫向模型建立

        圖2為單箱多室箱梁典型橫斷面圖。其中箱梁截面尺寸固定參數(shù)見圖中標注。截面尺寸變化參數(shù):梁高h,腹板間距d以及懸臂長度c。

        圖2 箱梁典型橫斷面(單位:cm)

        箱梁采用C50混凝土,橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土和8 cm C50調(diào)平層混凝土。箱梁懸臂端部為底寬50 cm SS級防撞護欄。

        分析荷載:自重、二期恒載及車輛荷載。汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級,箱梁橫向分析屬橋梁結(jié)構(gòu)局部分析,計算時采用車輛荷載。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定,汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數(shù)采用0.3[2]。

        沿縱橋向截取1 m寬箱梁單元,采用Midas分析軟件對單箱多室箱梁建立橫向分析模型,考慮到截面及內(nèi)力分布的對稱性,建立了如圖3所示的橫向桿系分析模型。

        圖3 箱梁橫向分析模型

        橋面板及懸臂板內(nèi)力分析工況參數(shù)如表1所示。

        表1 分析工況參數(shù)表 m

        3 箱梁橋面板內(nèi)力分析

        3.1 橋面板內(nèi)力隨梁高及腹板間距變化分布規(guī)律

        首先探討梁高h對橋面板內(nèi)力的影響大小。由結(jié)構(gòu)力學理論可知,對于橫向框架結(jié)構(gòu),當框架柱高度較小時,框架橫梁受力性質(zhì)類似于連續(xù)梁結(jié)構(gòu),而當框架柱高度較大時,框架橫梁受力性質(zhì)類似于門式剛架,故其內(nèi)力分布也有所不同。對于單箱多室箱梁橋面板極限承載能力設(shè)計狀態(tài),在恒載和車輛荷載作用組合下,其橋面板跨中正彎矩M1、中腹板負彎矩M2以及中腹板剪力Qz分布隨梁高h的變化趨勢如圖4~圖6所示。

        圖4 M1隨梁高h變化趨勢圖

        圖5 M2隨梁高h變化趨勢圖

        圖6 Qz隨梁高h變化趨勢圖

        從圖4~圖6可知,隨著梁高h的增大,彎矩M1、M2以及剪力Qz值變化幅度均較小。圖7為在不同腹板間距下梁高h變化時橋面板彎矩M1、M2以及剪力Qz相對變化百分率絕對值分布示意圖。圖7表明:M1值變化率在4.7%以內(nèi),M2值變化率在2.8%以內(nèi),Qz值變化率在0.6%以內(nèi);此外,隨著腹板間距d的增加,橋面板內(nèi)力值隨梁高h變化百分率總體呈減小趨勢??傮w來說,梁高h對橋面板內(nèi)力值無論是絕對值還是相對變化率的影響均較小。

        圖7 橋面板內(nèi)力值變化百分率

        其次探討腹板間距d對橋面板內(nèi)力的影響。從圖4~圖6還可以看出,橋面板彎矩M1、M2以及剪力Qz值是隨著腹板間距增大而增大。

        3.2 橋面板懸臂根部內(nèi)力隨懸臂長度變化分布規(guī)律

        因橋面板懸臂根部內(nèi)力與梁高h無關(guān),故本文不作探討。通過分析,得出懸臂根部在恒載和車輛荷載作用組合下負彎矩M3及剪力Qz1值隨懸臂長度c值變化的分布圖如圖8所示。

        圖8 懸臂根部內(nèi)力隨懸臂c值變化趨勢圖

        由圖8可知:隨著懸臂長度c值的增大,懸臂根部負彎矩M3值迅速增大,而懸臂根部剪力Qz1值略有減小趨勢。

        4 箱梁橋面板配筋設(shè)計

        根據(jù)單箱多室混凝土箱梁設(shè)計實踐經(jīng)驗,本文橋面板頂、底橫向鋼筋沿縱橋向間距取10 cm,橋面板頂部橫向鋼筋混凝土凈保護層厚度為30 mm,底部橫向鋼筋混凝土凈保護層厚度為25 mm。頂、底層橫向鋼筋采用HRB400級鋼筋。

        4.1 橋面板配筋設(shè)計

        選取梁高h=2.4 m時各種腹板間距下橋面板內(nèi)力值(此時內(nèi)力值相對較大)對其進行配筋設(shè)計。表2為橋面板在不同腹板間距d值條件下的配筋設(shè)計及相應(yīng)位置處正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度值。

        表2 橋面板配筋設(shè)計及裂縫寬度

        表2中橋面板相應(yīng)配筋設(shè)計情形下的裂縫寬度能滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于鋼筋混凝土構(gòu)件在Ⅰ類、Ⅱ類環(huán)境wcr≤0.2 mm和Ⅲ類、Ⅳ類環(huán)境wcr≤0.15 mm裂縫寬度限值要求[3]。

        4.2 懸臂板配筋設(shè)計

        根據(jù)上一小節(jié)橋面板懸臂根部內(nèi)力計算值進行懸臂板配筋設(shè)計。表3為懸臂板在不同懸臂長度c值條件下的配筋設(shè)計及相應(yīng)位置處正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度值,懸臂板根部相應(yīng)配筋設(shè)計情形下的裂縫寬度能滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于鋼筋混凝土構(gòu)件在Ⅰ類、Ⅱ類環(huán)境下wcr≤0.2 mm和Ⅲ類、Ⅳ類環(huán)境下wcr≤0.15 mm裂縫寬度限值要求[3]。

        表3 懸臂板配筋設(shè)計及裂縫寬度

        5 結(jié)論

        a)對于公路工程常見的單箱多室混凝土箱梁,在恒載和車輛荷載作用組合下,箱梁梁高h對橋面板內(nèi)力計算結(jié)果的影響較小,內(nèi)力值計算誤差基本在5%以內(nèi)。

        b)在恒載和車輛荷載作用組合下,橋面板跨中正彎矩、中腹板處負彎矩及剪力值隨腹板間距增大而增大。對于懸臂板根部內(nèi)力而言,懸臂根部負彎矩值隨懸臂長度增大而迅速增大,但懸臂根部剪力值則隨懸臂長度增大而略有減小。

        c)基于橋面板和懸臂板在承載能力極限狀態(tài)組合下的內(nèi)力計算結(jié)果,分別給出了橋面板和懸臂板的理論配筋設(shè)計,以供后續(xù)類似混凝土箱梁橋面板配筋設(shè)計參考使用??紤]到實際橋梁工程箱梁橫向配筋設(shè)計中,橋面板和懸臂板往往橫橋向為通長鋼筋且統(tǒng)一直徑型號以及部分鋼筋直徑型號不常用的設(shè)計慣例,在滿足結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用要求的前提下,設(shè)計人員可做適當調(diào)整。

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