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波形鋼腹板-桁式弦桿連續(xù)梁橋受力分析
——以深圳馬巒山公園高架橋?yàn)槔?/h1>
2020-08-12 01:54:58吳連波
福建建筑 2020年7期
關(guān)鍵詞:桿系梁橋腹板

吳連波

(深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心 廣東深圳 518000)

1 課題研究緣由

波形鋼腹板組合梁橋,由于自重輕、腹板不開(kāi)裂、預(yù)應(yīng)力效率高等優(yōu)點(diǎn),在工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)的波形鋼腹板組合梁橋,由混凝土頂、底板及波形鋼腹板組成,當(dāng)?shù)装寤炷劣射摴芑炷寥〈鷷r(shí),即形成了波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁橋[3-4],如圖1所示。該種結(jié)構(gòu)包括混凝土頂板、波形鋼腹板、鋼管混凝土組成。該組合梁結(jié)構(gòu),采用混凝土頂板和下弦鋼管承受正彎矩,利用鋼管混凝土下弦鋼管和頂板預(yù)應(yīng)力束承受負(fù)彎矩,使得組合梁延性增強(qiáng),自重進(jìn)一步降低,方便橋梁施工。

基于波形鋼腹板-多弦桿連續(xù)組合橋梁是一種新型組合梁橋,其受力性能良好,可以為新建橋梁建設(shè)提供一種選擇方案,本文以深圳馬巒山公園高架橋?yàn)楣こ瘫尘?,?duì)該種橋梁進(jìn)行受力分析,以期能為該新型組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

圖1 波形鋼腹板-多弦桿橋梁效果圖

2 工程概況

馬巒山公園高架橋1號(hào)橋上部結(jié)構(gòu)為波形鋼腹板-多弦桿組合梁,右幅為3m×45m連續(xù)結(jié)構(gòu)箱梁。道路等級(jí)為城市快速路,設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載等級(jí)為城市A級(jí)。單幅橋面寬度20m,梁高2.8m。頂板為C50混凝土,底緣采用直徑720mm圓鋼管,內(nèi)部灌注C50微膨脹混凝土,全橋腹板均采用波形鋼腹板,鋼材為Q345qC,板厚12mm~24mm,其形狀為1600型。橋型總體布置如圖2所示。各主梁通過(guò)端主梁及桁架平聯(lián)連接。端橫梁寬1.2m,高2.6m。平聯(lián)由Ф245×10mm橫桿和Ф159×10mm斜桿組成,橫桿間距為4.8m,如圖2(c)所示?;炷另敯逶谪?fù)彎矩區(qū)內(nèi)布置48束預(yù)應(yīng)力鋼筋(每箱24束),每束布置15φ15.24鋼絞線,并采用雙向張拉。波形鋼腹板與混凝土板通過(guò)22mm直徑的栓釘連接,波形鋼腹板與鋼管間采用焊接連接,波形鋼腹板與波形鋼腹板間采用對(duì)接焊縫連接,波形鋼腹板與端橫梁間通過(guò)PBL連接件連接。成橋后的效果圖如圖2(f)所示。

(a)標(biāo)準(zhǔn)跨立面圖

(b)一般截面尺寸

(c)桁架平聯(lián)

3 有限元模型建立

實(shí)體模型及桿系模型都可進(jìn)行實(shí)橋分析。實(shí)體模型具有計(jì)算精度高、局部應(yīng)力準(zhǔn)確、計(jì)算速度慢的特點(diǎn);桿系模型具有計(jì)算效率高、整體受力分析效果好特點(diǎn),并且具有成熟的商用橋梁設(shè)計(jì)軟件。本節(jié)通過(guò)波形鋼腹板-多弦桿組合梁橋的實(shí)體及桿系模型的對(duì)比,驗(yàn)證桿系模型的準(zhǔn)確性。

采用通用有限元軟件ABAQUS建立實(shí)體模型。采用實(shí)體單元建立頂板、管內(nèi)混凝土等實(shí)體結(jié)構(gòu),采用板殼單元建立鋼管、波形鋼腹板等薄壁結(jié)構(gòu),采用升降溫模擬預(yù)應(yīng)力荷載。該建模方法的可靠性已在縮尺模型分析中得到了驗(yàn)證[5,6]??s尺試驗(yàn)如圖3所示,實(shí)體模型如圖4所示。

圖4 實(shí)體模型

桿系模型采用橋梁專(zhuān)用軟件MIDAS/Civil建立。下弦鋼管混凝土采用共用節(jié)點(diǎn)雙單元法進(jìn)行模擬,可細(xì)分為下弦鋼管與下弦管內(nèi)混凝土兩種單元;波形鋼腹板、鋼翼緣板采用梁?jiǎn)卧?,混凝土頂板采用梁格法建立,鋼翼緣板分別連接頂板混凝土和波形鋼腹板。桿系模型如圖5所示。

(a)整體模型

(b)波形鋼腹板

(c)下弦鋼管混凝土圖5 實(shí)橋桿系有限元模型

表1列出了(自重+預(yù)應(yīng)力+車(chē)道荷載)組合作用下實(shí)橋桿系有限元模型與實(shí)橋?qū)嶓w有限元的計(jì)算結(jié)果。從表可以看出,桿系有限元模型得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)體有限元結(jié)果基本相同,兩者比值在0.93~1.04之間,即系桿有限元模型在保證計(jì)算效率的同時(shí)可以具有較好的精度。

表1 實(shí)體有限元與桿系有限元模型計(jì)算結(jié)果

4 正常使用狀態(tài)分析

4.1 下弦鋼管應(yīng)力

圖6給出了正常使用極限狀態(tài)下下弦鋼管的應(yīng)力包絡(luò)圖。下弦鋼管應(yīng)力在邊跨L/2截面處鋼管底緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力,在中支點(diǎn)鋼管底緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力,全橋采用三跨等跨布置,中跨鋼管拉應(yīng)力值較小且主要以壓應(yīng)力為主。鋼管最大拉應(yīng)力為137.4MPa,最大壓應(yīng)力為-234.7MPa,均拉、壓應(yīng)力小于容許應(yīng)力±270MPa,均滿足要求。

圖6 正常使用極限狀態(tài)下下弦鋼管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2 混凝土板應(yīng)力

圖7給出了正常使用極限狀態(tài)下混凝土頂板頂緣最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出,在正常使用極限狀態(tài)下,除部分位置外,基本處于受壓狀態(tài)。中跨跨中附近及邊跨邊支點(diǎn)附近出現(xiàn)的拉應(yīng)力由溫度作用產(chǎn)生。頂板最大拉應(yīng)力達(dá)到1.29MPa,小于最大拉應(yīng)力限值1.83MPa;最大壓應(yīng)力為-12.6MPa,小于容許值-16.2MPa。

圖7 正常使用極限狀態(tài)下混凝土頂板頂緣最大壓應(yīng)力

4.3 組合梁剛度

圖8給出了不計(jì)沖擊力的車(chē)道荷載頻遇值作用下主梁最大撓度分布圖。在車(chē)道荷載作用下,主梁最大撓度出現(xiàn)在邊跨跨中截面處,撓度曲線在各跨范圍內(nèi)均關(guān)于跨中對(duì)稱。從圖8的主梁撓度驗(yàn)算結(jié)果可以看出,主梁最大撓度為14.9mm,滿足GB 50917-2013《鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中L/600的限值;當(dāng)下弦鋼管不填充混凝土?xí)r,主梁最大撓度22.9mm。主梁下弦鋼管填充混凝土與不填充混凝土的最大撓度比值為0.65∶1。下弦鋼管填充混凝土可以有效提高組合梁的剛度。

5 極限狀態(tài)驗(yàn)算

前述的桿系模型將組合梁分為混凝土板、下弦桿、波形鋼腹板等構(gòu)件。由于目前沒(méi)有成熟的波形鋼腹板-桁式弦桿組合梁彎曲承載力計(jì)算方法。本節(jié)采用MIDAS軟件對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載下的極限承載力驗(yàn)算,并列出主要驗(yàn)算結(jié)果。

圖8 不計(jì)沖擊力的車(chē)道荷載頻遇值作用下主梁最大撓度分布圖

5.1 混凝土板

將組合梁中的混凝土板單獨(dú)分析,其可以看成處于偏心受壓狀態(tài)的構(gòu)件。這里依據(jù)JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7],對(duì)混凝土板進(jìn)行偏壓驗(yàn)算。忽略二階效應(yīng),所有截面均能滿足規(guī)范要求。圖9為最不利承載能力極限狀態(tài)組合下的混凝土頂板偏壓承載力驗(yàn)算結(jié)果。

圖9 混凝土頂板偏壓承載力驗(yàn)算結(jié)果

5.2 下弦鋼管

對(duì)下弦鋼管混凝土進(jìn)行偏壓及鋼管應(yīng)力驗(yàn)算,各驗(yàn)算結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖10為下弦鋼管應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果,壓應(yīng)力越接近中支點(diǎn)越大。

圖10 下弦鋼管應(yīng)力驗(yàn)算

5.3 波形鋼腹板

為了便于提取各梁分配的剪力,采用整梁模型計(jì)算各縱梁的剪力分配,并將其代入《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJT 272-2017),驗(yàn)算波形鋼腹板的剪切強(qiáng)度、局部屈曲應(yīng)力、整體屈曲應(yīng)力及組合屈曲應(yīng)力,各驗(yàn)算值均滿足設(shè)計(jì)要求。圖11為合成屈曲的驗(yàn)算結(jié)果。由于中支點(diǎn)處的剪力最大,該處為剪切屈曲及剪切強(qiáng)度的控制設(shè)計(jì)點(diǎn)。

圖11 波形鋼腹板合成屈曲驗(yàn)算

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)體模型及桿系模型都可以用于組合梁橋的彈性分析。波形鋼腹板-多弦桿連續(xù)組合梁橋滿足正常使用極限狀態(tài)下的應(yīng)力及剛度驗(yàn)算要求。鋼管中的混凝土可以有效提高組合梁的彎曲剛度,降低組合梁的變形。

本文所提離散化的桿系建模方法便于進(jìn)行波形鋼腹板-多弦桿橋梁的構(gòu)件驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明,該橋滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。

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