大跨度單箱雙室波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋設(shè)計(jì)

大跨度單箱雙室波形鋼膜板連續(xù)組合箱梁橋設(shè)計(jì)吳薇【摘要】Combinedthestructuralforcecharacteristicsandtheconcreteandsteelconnectioncharacteristicsofcontinuouscompositeboxgirderwithsteelwebareinvestigated,thesingleboxdualchambercorrugatedsteelwebcontinuouscompositeboxgirderbridgeissubjectedtothefiniteelementanalysis.ThefiniteelementanalysismodelisbasedontheHongmianRoadProject.ThecompositeboxgirderbridgeissubjectedtobendingcalculationandshearcalculationbyusingthecommercialsoftwareMidas.Basedonthedataoffiniteelementcalculation,thedesignandimprovementmethodofthisprojectforsingleboxdualchambercorrugatedsteelwebcontinuouscompositeboxgirderwithlargespanisrevealed.%結(jié)合鋼腹板連續(xù)組合箱梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和混凝土與鋼材的連接特點(diǎn)，針對(duì)單箱雙室波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋進(jìn)行了有限元分析,有限元分析模型以紅棉大道工程一期主橋?yàn)橐劳?利用商業(yè)軟件midas,對(duì)單箱雙室波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋進(jìn)行抗彎計(jì)算、抗剪計(jì)算，以其有限元計(jì)算的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，揭示了該工程針對(duì)大跨度單箱雙室波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋的設(shè)計(jì)的改善方法.【期刊名稱(chēng)】《湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2018(027)001【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P7-11)【關(guān)鍵詞】波形鋼腹板混凝土組合箱梁;體外預(yù)應(yīng)力;大跨度橋梁;有限元【作者】吳薇【作者單位】廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州510080【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】U443波形鋼腹板混凝土組合箱梁（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為CSW組合箱梁）是一種新型的、針對(duì)橋梁體系的、輕型高強(qiáng)的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu).CSW組合箱梁可看成是由混凝土頂?shù)装?、體外預(yù)應(yīng)力筋和波形鋼腹板三者構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)，并且充分發(fā)揮了鋼和混凝土材料的各自特點(diǎn)，利用了混凝土抗壓強(qiáng)度高，波形鋼腹板抗剪屈服強(qiáng)的材料特性在歐美得到廣泛的應(yīng)用，而在我國(guó)也得到逐漸的推廣和應(yīng)用[1-5].眾所周知，橋梁設(shè)計(jì)正往大跨度，輕質(zhì)高強(qiáng)方向發(fā)展，而CSW組合箱梁就是具備輕質(zhì)高強(qiáng)特性的構(gòu)件，所以如何使CSW組合箱梁跨度增大則成了設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題.橋梁的跨度增大，跨中彎矩和支點(diǎn)反彎矩必然會(huì)增大，其抗彎，抗剪和抗扭設(shè)計(jì)則成了技術(shù)難點(diǎn).此外，為了兼顧橋梁的安全性和耐久性，大跨度的CSW組合箱梁橋也要著重波形鋼腹板和混凝土頂板和底板的連接設(shè)計(jì)[6-8].因此，大跨度單箱雙室波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋設(shè)計(jì)具備工程研究?jī)r(jià)值.本文首先以紅棉大道工程一期主橋?yàn)槔樱饰銎渲饕闆r和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，利用商業(yè)軟件midas，建立大跨度CSW組合箱梁橋有限元模型，分析其內(nèi)力和應(yīng)力特性，并且對(duì)其進(jìn)行抗彎計(jì)算、抗剪計(jì)算.以其有限元計(jì)算數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，揭示了本工程針對(duì)大跨度單箱雙室波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋的設(shè)計(jì)改善方法.1工程概況1.1大跨度CSW組合箱梁橋設(shè)計(jì)概況紅棉大道工程一期（風(fēng)神立交~西二環(huán)高速和順立交）位于廣州市花都區(qū)中西部，路線(xiàn)途經(jīng)新華街、炭步鎮(zhèn)，總體呈南北走向，北起風(fēng)神大道（風(fēng)神立交），向南依次與工業(yè)大道、黃河路（規(guī)劃）、岐山路、車(chē)城大道（規(guī)劃）、白云六線(xiàn)（規(guī)劃）、巴江河，港口大道（規(guī)劃）、水泥廠(chǎng)路、炭中路（規(guī)劃）等道路相交，終點(diǎn)最后接佛山一環(huán)東線(xiàn)的北延長(zhǎng)線(xiàn)與西二環(huán)相交，全長(zhǎng)8.134km，道路等級(jí)為城市快速路，計(jì)算行車(chē)速度60km/h；橋梁荷載等級(jí)為城-A級(jí)；巴江河通航等級(jí)為內(nèi)河三級(jí)航道，凈空BH=110mx10m.圖1主橋布置圖圖2CSW組合箱梁橫截面圖主橋?yàn)?8m+130m+78m大跨度CSW組合箱型連續(xù)梁橋，為3向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁為分幅式單箱雙室截面.主橋布置見(jiàn)圖1,CSW組合箱梁橫截面見(jiàn)圖2.單幅箱梁頂寬19.25m,單側(cè)懸臂長(zhǎng)度為3.375m，橋面橫坡為單向2%，箱底寬12.5m，箱底保持水平.墩頂0號(hào)梁段長(zhǎng)11.6m,2個(gè)“T構(gòu)”的懸臂各分為12對(duì)梁段，單節(jié)長(zhǎng)度為4.8m，累計(jì)懸臂總長(zhǎng)57.6m.跨中合攏段和邊跨合攏段均為3.2m長(zhǎng)，2個(gè)邊跨現(xiàn)澆梁段各長(zhǎng)11.4m.墩頂處箱梁梁高為7.5m，高跨比1/17.3，中跨跨中以及邊跨現(xiàn)澆梁段梁高均為3.5m，高跨比1/37.1.箱梁高度按二次拋物線(xiàn)變化；箱梁頂板厚為30cm；箱梁底板根部厚為100cm（未含倒角），中跨跨中及邊跨現(xiàn)澆段為30cm，箱梁底板厚也按二次拋物線(xiàn)變化；腹板采用1600型波形鋼腹板，箱梁中支點(diǎn)單側(cè)9.1m范圍、邊支點(diǎn)3.35m范圍內(nèi)采用混凝土加厚（鋼混凝土組合腹板段），以增加抗剪抗扭能力，其厚度按直線(xiàn)漸變.縱向預(yù)應(yīng)力配置了頂板束（T）、底板束（B）、體外束（TW）.頂板鋼束T0~T4采用mm鋼鉸線(xiàn)，T5~T12采用19615.2mm鋼鉸線(xiàn)；邊跨底板鋼束B(niǎo)B1~BB2采用19615.2mm的鋼鉸線(xiàn)，中跨底板鋼束CB1~CB8采用mm的鋼鉸線(xiàn)；邊跨頂板鋼束B(niǎo)T1~BT2采用19615.2mm的鋼鉸線(xiàn)，中跨頂板鋼束CT1~CT2采用17615.2mm的鋼鉸線(xiàn).鋼絞線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa，錨下張拉控制應(yīng)力0.75fpk=1395MPa.預(yù)應(yīng)力管道均采用預(yù)埋塑料波紋管成形.張拉控制采用張拉力與延伸量的雙控體系.箱梁的波形鋼腹板采用的體外預(yù)應(yīng)力束體符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)氧涂層七絲預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)》(GB/T21073-2007)規(guī)定的，每束采用19根15.2mm鋼絞線(xiàn)，夕卜包HDPE護(hù)套其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa，延伸率＞3.5%，張拉控制應(yīng)力=0.65fpk=1209MPa.箱梁體外鋼束采用專(zhuān)用錨具，性能滿(mǎn)足國(guó)際預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)FIP《后張預(yù)應(yīng)力體系的驗(yàn)收和應(yīng)用建議》、《體外預(yù)應(yīng)力材料及體系》及《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)用錨具、夾具和連接器》(JT/T329-2010)的技術(shù)要求[7].箱梁在0#塊梁段設(shè)1道3m中橫梁，邊跨端部各設(shè)1道2.3m的橫梁，邊跨設(shè)置2道橫隔板，中跨設(shè)置4道橫隔板，橫隔板厚度為0.5m.波形鋼腹板：采用符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T714-2008)標(biāo)準(zhǔn)的Q345qC鋼；波形鋼腹板連續(xù)梁頂?shù)装?、梁底調(diào)平楔形塊采用C55混凝土.1.2大跨度CSW組合箱梁橋連接設(shè)計(jì)如圖3所示，波形鋼腹板與混凝土頂板采用Twin-PBL連接，與混凝土底板采用S-PBL鍵+栓釘連接.其中，上翼緣鋼板與上開(kāi)孔鋼板厚度采用20mm，下翼緣鋼板與下開(kāi)孔鋼板厚度采用16mm，開(kāi)孔①60,孔間距160mm，上開(kāi)孔鋼板高度為200mm，下開(kāi)孔鋼板高度為150mm，頂板貫穿鋼筋①28,底板貫穿鋼筋①25;栓釘采用①19mm,^度15cm.此外，波形鋼腹板之間的連接主要有：高強(qiáng)螺栓單面摩擦連接、全斷面熔融焊對(duì)接連接、搭接連續(xù)貼角焊接連接等幾種方式，為方便施工設(shè)計(jì)采用了搭接連續(xù)貼角焊接連接的方式，使用螺栓臨時(shí)固結(jié).圖3波形鋼腹板與混凝土頂、底板連接示意2大跨度CSW組合箱梁橋有限元模型本橋?yàn)?8m+130m+78m三跨變截面波形鋼腹板連續(xù)梁橋體系，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)構(gòu)布置和施工方法，采用大型空間橋梁有限元計(jì)算軟件MIDASCIVIL建立結(jié)構(gòu)有限元分析模型.按主梁對(duì)結(jié)構(gòu)整體建模，箱梁取全截面進(jìn)行計(jì)算，不計(jì)橋面混凝土鋪裝與箱梁共同作用，僅作為二期恒載考慮，活載橫向分布系數(shù)按考慮活載偏心作用的偏心系數(shù)法計(jì)算，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì).全橋共分89個(gè)節(jié)點(diǎn)，70個(gè)單元，有限元離散模型及關(guān)鍵截面示意圖見(jiàn)圖4.圖4主橋有限元計(jì)算模型3測(cè)試結(jié)果分析3.1CSW組合箱梁橋正常使用極限狀態(tài)根據(jù)圖5~圖8的正常使用極限狀態(tài)的彎矩剪力結(jié)果以及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，其驗(yàn)算結(jié)果如下.受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算.施工階段扣除短期預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端的最大有效預(yù)應(yīng)力為：ocon=1253MPa<0.75fpk=1395MPa;使用階段扣除全部預(yù)應(yīng)力損失并考慮作用標(biāo)準(zhǔn)值引起鋼束應(yīng)力變化后，預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力為：ope+op=1134MPa<0.65fpk=1209MPa.因此預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力滿(mǎn)足要求.圖5正常使用極限狀態(tài)荷載組合彎矩包絡(luò)圖圖6正常使用極限狀態(tài)剪力包絡(luò)圖圖7正常使用極限狀態(tài)荷載組合下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位MPa拉+壓-)圖8正常使用極限狀態(tài)荷載組合下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位MPa拉+壓-)正截面抗裂驗(yàn)算.所有荷載組合下，主橋主梁的梁底及梁頂均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此所有截面均滿(mǎn)足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件正截面抗裂要求.⑶使用階段正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算.使用階段最大壓應(yīng)力okc+opt=12.58MPa<0.5fck=17.75MPa，滿(mǎn)足彈性階段正截面壓應(yīng)力的使用要求.3.2CSW組合箱梁橋承載力極限狀態(tài)計(jì)算根據(jù)圖9和圖10的承載力極限狀態(tài)計(jì)算的彎矩剪力結(jié)果以及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，其驗(yàn)算結(jié)果使用階段正截面抗彎驗(yàn)算：承載能力狀態(tài)抗彎驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求.圖9承載能力極限狀態(tài)彎矩包絡(luò)圖圖10承載能力極限狀態(tài)剪力包絡(luò)圖4大跨度CSW組合箱梁橋設(shè)計(jì)改善措施采用波形鋼腹板箱梁常用的體外預(yù)應(yīng)力方式以滿(mǎn)足規(guī)范的抗裂計(jì)算；采用混凝土加厚波形鋼腹板，以增加其抗剪抗扭能力，頂板和底板的混凝土可以采用高強(qiáng)度的混凝土；采用良好的組合結(jié)構(gòu)連接方式，使大跨度CSW組合箱梁擁有良好的整體性，例如PBL+栓釘連接等；⑷已有研究表明，橫隔板的增加能夠有效減少CSW組合箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)和畸變，因而本工程采用良好橫隔板設(shè)計(jì).5結(jié)論本CSW組合箱梁橋不僅為大跨度橋梁，還是新型的單箱兩室箱梁，其設(shè)計(jì)要考慮抗剪和抗扭特性；采用混凝土加厚波形鋼腹板、良好的組合結(jié)構(gòu)連接方式和橫隔板的設(shè)計(jì)能有效提高CSW組合箱梁橋的抗剪和抗扭性能，這是尤為重要的設(shè)計(jì)改善措施；通過(guò)本工程針對(duì)大跨度CSW組合箱梁橋的設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)的驗(yàn)算.劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)^梁[M].北京:人民交通出版社，2005.雷峰濤.波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板穩(wěn)定性研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2011.李宏江，葉見(jiàn)曙，萬(wàn)水，等.剪切變形對(duì)波形鋼腹板箱梁撓度的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002,2(4):17-20.陳寶春，王遠(yuǎn)洋，黃