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        預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析

        2024-12-06 00:00:00黃波陳濤
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年21期

        摘 要:某高速特大橋跨越地方道路交叉角度小,在保證功能滿足要求的前提下,為減少橋梁跨徑情況,降低縱面控制高程,上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正,通過調(diào)整梁長控制橋梁上部結(jié)構(gòu)的角度變化。本文介紹了該處節(jié)點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況,采用梁格法建立有限元模型,對受力進(jìn)行分析和驗(yàn)算,結(jié)合分析結(jié)果和后續(xù)實(shí)際施工中遇到的問題對斜轉(zhuǎn)正T梁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

        關(guān)鍵詞:預(yù)制T梁;斜轉(zhuǎn)正;梁格法

        中圖分類號:U 44" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,公路建設(shè)規(guī)模逐漸變大,尤其是在路網(wǎng)發(fā)達(dá)的平原地區(qū),高速公路與地方道路的交叉愈加頻繁。高速公路路線指標(biāo)較高,路線跨越地方道路時(shí)普遍存在斜交關(guān)系且橋梁長度亦較長,整橋全部采用斜交缺乏施工可行性,而采用正交加大跨徑的方式會使工程造價(jià)大幅提高,因此橋梁采用斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)可有效解決各類局限性問題,其中,預(yù)制結(jié)構(gòu)的斜轉(zhuǎn)正橋梁具有技術(shù)成熟、施工周期短、對橋下交通影響小等優(yōu)勢,在公路橋梁領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1]。

        1 工程概況

        本文研究對象為某高速特大橋跨越地方規(guī)劃道路的一聯(lián)預(yù)制T梁(先簡支后連續(xù)),將跨徑布置為30m+2×40m,半幅橋?qū)?2.5m,單幅橋梁橫向布置6片梁,邊梁懸臂1m,中梁懸臂0.85m,濕接縫寬度0.4m,梁高2.5m。

        該聯(lián)2號、3號、4號橋墩與橋梁設(shè)計(jì)線法向交角為15°,1號墩與設(shè)計(jì)線正交,因此第一跨30m跨徑T梁需要通過調(diào)整梁長的方式實(shí)現(xiàn)交角變化,各片T梁構(gòu)造參數(shù)及結(jié)構(gòu)混凝土數(shù)量見表1,按照設(shè)計(jì)中心線由內(nèi)到外設(shè)置梁編號1~6。

        本文以該聯(lián)橋梁為例,計(jì)算上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)預(yù)制T梁的斜轉(zhuǎn)正橋梁的內(nèi)力分布情況,并根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[2]對承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)抗力和正常使用極限狀態(tài)各項(xiàng)應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算,并結(jié)合實(shí)際施工過程提出該類橋梁在設(shè)計(jì)過程中需要注意的事項(xiàng)。

        2 計(jì)算參數(shù)

        結(jié)構(gòu)自重:各構(gòu)件重力荷載按照砼容重26kN/m3計(jì)算。

        二期恒載:鋪裝20cm,按照容重25kN/m3計(jì)算,單側(cè)SS級墻式護(hù)欄按照每延米12.35kN加載。

        汽車荷載:公路-Ⅰ級,按最不利情況滿布單向三車道加載,考慮橫向折減及縱向折減,沖擊系數(shù)按照規(guī)范[3]第4.3.2條計(jì)算。

        整體溫度:升溫20℃,降溫20℃。

        梯度溫度:14℃,5.5℃,-7℃,-2.75℃。

        支座沉降:5mm。

        設(shè)計(jì)安全等級:一級。

        3 有限元模型

        梁格法將實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)等效為由縱梁和橫梁組成的梁格單元,將上部結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中到縱梁內(nèi),抗彎、抗扭剛度集中到最鄰近的梁格內(nèi),橫向剛度則集中到橫梁內(nèi),使等效梁格模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)具有相近的彎矩、剪力、扭矩以及應(yīng)力結(jié)果[4]。在劃分單元精度足夠高以及邊界條件模擬合理的情況下,采用梁格法可以滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算精度的要求。

        計(jì)算程序采用Midas Civil空間有限元分析軟件,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算程序采用Civil Designer軟件,針對斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn),邊梁和中梁模擬為縱向梁單元,端橫梁、中橫梁、跨中橫隔板按照實(shí)際截面模擬為橫向梁單元,其余橫向聯(lián)系采用2.1m寬無容重的虛擬橫梁,各橫梁與縱梁間節(jié)點(diǎn)采用剛接。有限元模型主要縱梁和橫梁的布置如圖1所示。

        4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

        4.1 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

        4.1.1 抗彎承載力驗(yàn)算

        在荷載基本組合下,計(jì)算各主梁截面實(shí)際最大及最小彎矩值,并根據(jù)規(guī)范計(jì)算各主梁截面結(jié)構(gòu)最大及最小彎矩抗力值,將其共同繪制在抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖中,如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)為主梁順橋向各截面位置,縱坐標(biāo)為彎矩值,圖中4條線從上到下依次為結(jié)構(gòu)最小彎矩抗力值、實(shí)際最小彎矩值、實(shí)際最大彎矩值及結(jié)構(gòu)最大彎矩抗力值。

        由圖2可知,該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力結(jié)果中與常規(guī)組合T梁截面基本一致,邊梁彎矩較中梁大。在此基礎(chǔ)上,可以發(fā)現(xiàn)隨著各T梁理論跨徑增加,主梁斜轉(zhuǎn)正第一跨跨中正彎矩基本呈增加趨勢,2號墩位置處負(fù)彎矩則呈減少趨勢。

        4.1.2 抗剪承載力驗(yàn)算

        在荷載基本組合下,計(jì)算各主梁截面實(shí)際最大及最小剪力值,并根據(jù)規(guī)范計(jì)算各主梁截面結(jié)構(gòu)最大及最小剪力抗力值,將其繪制在抗剪驗(yàn)算包絡(luò)圖中,如圖3所示。

        設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了各主梁的內(nèi)力分布差異,本文對T梁梁底縱向主筋與墩頂位置梁頂縱向主筋進(jìn)行加強(qiáng),并同時(shí)對腹板箍筋進(jìn)行適當(dāng)加密,驗(yàn)算結(jié)果表明在荷載基本組合下各截面的彎矩設(shè)計(jì)值與剪力設(shè)計(jì)值均小于結(jié)構(gòu)抗力,并留有相應(yīng)的安全富裕度。

        4.2 支反力計(jì)算

        在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下,得到各支座節(jié)點(diǎn)最大反力見表2。

        在荷載作用下,邊梁反力比中梁大,橫向支反力基本隨著理論跨徑增加而增加。反力不均勻分布的原因?yàn)榭v向主梁的扭矩分布,縱向主梁扭矩產(chǎn)生原因:理論跨徑不同導(dǎo)致豎向彎曲不同、邊梁形心與支點(diǎn)位置平面不重合、護(hù)欄偏心荷載等[1]。

        4.3 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

        在荷載頻遇組合下,橋梁頂緣正截面最大拉應(yīng)力為-1.818MPa,底緣正截面最大拉應(yīng)力為-0.948MPa,主要出現(xiàn)在斜交的2號墩墩頂位置,容許最大拉應(yīng)力為0.7ftk=1.855MPa。斜截面最大主拉應(yīng)力為-1.126MPa,主要出現(xiàn)在墩頂位置和負(fù)彎矩鋼束錨固處,容許最大主拉應(yīng)力為0.7ftk=1.855MPa。在荷載準(zhǔn)永久組合下,橋梁頂緣與底緣正截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,其最小壓應(yīng)力亦出現(xiàn)在斜交墩頂位置。橋梁正截面抗裂與斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,但關(guān)鍵位置安全富裕度不高,因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重中支點(diǎn)位置及負(fù)彎矩鋼束錨固處的應(yīng)力控制。

        4.4 持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算

        在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下,橋梁頂緣正截面最大壓應(yīng)力為12.893MPa,底緣正截面最大壓應(yīng)力為13.407MPa,容許最大壓應(yīng)力0.5fck=16.200MPa。斜截面最大主壓應(yīng)力為13.272MPa,容許最大主壓應(yīng)力0.6fck=19.440MPa。橋梁持久狀況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,且安全富裕度較高。

        4.5 短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算

        在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下,橋梁在各施工階段的頂緣正截面最大壓應(yīng)力為8.620MPa,底緣正截面最大壓應(yīng)力為14.941MPa,容許最大壓應(yīng)力為0.7f' ck=18.760MPa。橋梁短暫狀況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,且安全富裕度亦較高。

        5 現(xiàn)場施工反饋

        在實(shí)際施工過程中,預(yù)制斜轉(zhuǎn)正T梁安裝便捷,架設(shè)速度快,使橋下交通能夠較快恢復(fù),得到建設(shè)單位、施工單位、地方交通等一致好評。

        在主梁預(yù)制過程中,施工單位準(zhǔn)備立模澆筑時(shí)發(fā)現(xiàn)各梁長不同,斜交墩頂位置端橫梁的預(yù)制部分構(gòu)造較為復(fù)雜,模板種類過多且無法重復(fù)利用,造成施工進(jìn)度緩慢和材料浪費(fèi),因此,在保障結(jié)構(gòu)安全的前提下,現(xiàn)場采用梁肋預(yù)制+橫梁現(xiàn)澆的模式對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整,并取得了良好的效果。具體做法為橫梁在梁肋與翼緣板范圍內(nèi)預(yù)制并伸出預(yù)埋鋼筋,而在濕接縫范圍的橫梁全部采用現(xiàn)澆,通過預(yù)埋鋼筋與預(yù)制梁將其永久連接,保障結(jié)構(gòu)整體的安全性。

        6 預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正設(shè)計(jì)探討

        預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)受力特征與正交橋梁有較大不同,針對該類橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。1)預(yù)制結(jié)構(gòu)采用梁格法可以較好地模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況,但建模時(shí)要合理確定橫向聯(lián)系梁的尺寸。2)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布很大程度上受到邊界條件的約束作用影響,合理選用支座形式,有利于釋放位移,減少因溫度作用、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土收縮徐變等產(chǎn)生的次內(nèi)力。3)T梁截面為開放式截面,扭矩會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的不利影響,且當(dāng)構(gòu)件共同承受剪扭作用時(shí),抗剪性能會降低[2],設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密箍筋間距并加強(qiáng)腹板鋼筋。4)斜轉(zhuǎn)正各跨理論跨徑不同,配束時(shí)應(yīng)根據(jù)不同主梁正彎矩分布情況合理設(shè)置,且應(yīng)注意區(qū)別各主梁墩頂負(fù)彎矩位置鋼束的布置。5)相同墩頂位置支反力分布不均勻,支座選型需要綜合考慮不同的支反力結(jié)果,通常以最不利節(jié)點(diǎn)位置為準(zhǔn)。6)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮施工條件,在保障安全的前提下可以適當(dāng)對細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化。

        7 結(jié)語

        本文根據(jù)工程實(shí)際,對斜轉(zhuǎn)正預(yù)制T梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,闡述其受力特征并分析原因,并結(jié)合施工期出現(xiàn)的具體問題,分享經(jīng)驗(yàn),為后續(xù)同類型橋梁設(shè)計(jì)和分析提供參考。

        參考文獻(xiàn)

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