武 林, 胡清和
(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)
皖南某山區(qū)高速目前已推廣應(yīng)用鋼板組合梁橋,全線共31座鋼板組合梁橋,總長度12.12 km[3]。由于本項目地處山區(qū),架設(shè)鋼板梁工字鋼及預(yù)制橋面板均采用架橋機,因此合理地設(shè)計鋼板組合梁橋墩顯得尤為重要。
施工圖設(shè)計中,鋼板梁下部橋墩結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中墩頂擴大頭寬度a為110 cm(35 m跨徑鋼板組合梁)。
圖1 下部橋墩立面圖(施工圖階段)
本項目鋼板組合梁架橋機為GYLQ180t-40型,該架橋機兩支腿中心點間寬度為920 cm[4]。由圖1可知,橋墩墩頂寬度為890 cm,無法滿足架橋機架設(shè)要求。
為保證架橋機放置,需對墩頂擴大頭進行加寬,可在橋墩墩頂設(shè)置牛腿,優(yōu)化后的橋墩結(jié)構(gòu),如圖2所示。
圖2 下部橋墩立面圖(優(yōu)化后)
根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定,對于a不大于h0的柱牛腿(圖3),截面尺寸應(yīng)符合下列幾點要求:
圖3 牛腿尺寸參數(shù)圖
本項目采用的GYLQ180t-40型鋼板組合梁架橋機,其前支腿支點處最大反力為800 kN,無水平拉力值。為考慮受力最不利影響,取Fvk=800 kN,Fhk=0 kN,a=1.6 m。
根據(jù)計算,擴大頭需配置12根直徑為28 mm的HRB鋼筋才能滿足抗裂要求,實際按照14根直徑28 mm HRB進行配筋。
在牛腿頂面的受壓面上,由豎向力標準值Fvk=800 kN引起的局部壓應(yīng)力不應(yīng)超過0.75fc。前支腿受壓面為0.3 m×0.3 m。即:
σc=Fvk/Ac=800/(0.3×0.3)=8.89 MPa<0.75fc
所以,牛腿頂面受壓面局部壓應(yīng)力滿足要求。
Fv=ηFvk=1.4×800=1 120 kN,Fh=0 kN。即:
=4 889.2 mm2≤142×π×16=9 847.0 mm2
所以,縱向受力鋼筋面積符合規(guī)范要求[6-9]。
為更好地了解牛腿受力情況,采用MIDAS Fea有限元仿真分析軟件建立有限元模型,具體模型如圖4所示。該實體模型共52 682個節(jié)點,68 408個單元(其中以主梁橫向為X方向,主梁縱向為Y方向,主梁豎向為Z方向),在墩柱底板施加固結(jié)約束以模擬墩柱實際受力情況。
圖4 墩柱有限元模型圖
5.2.1 正應(yīng)力分析
圖5~7分別為牛腿X方向、Y方向及Z方向正應(yīng)力分析結(jié)果。
圖5 牛腿X方向正應(yīng)力
圖6 牛腿Y方向正應(yīng)力
圖7 牛腿Y方向正應(yīng)力
由圖5~圖7可知,牛腿在X、Y及Z方向大部分區(qū)域應(yīng)力均在2 MPa之間,構(gòu)件受力處于安全狀態(tài)(拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負,下同)。
5.2.2 主應(yīng)力分析
牛腿主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力分別如圖8、圖9所示。
圖8 牛腿主拉應(yīng)力
圖9 牛腿主壓應(yīng)力
由圖8可知,墩柱大部分區(qū)域主拉應(yīng)力小于2 MPa,而在架橋機作用區(qū)域附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力在2.09~2.81 MPa,即存在開裂的可能,建議在牛腿頂部布置鋼筋網(wǎng)。由圖9可知,架橋機作用區(qū)域主壓應(yīng)力最大為12.53 MPa,小于0.75倍的C40混凝土抗壓強度標準值,所以牛腿受力處于安全狀態(tài)[10-12]。
(1)上述兩種方法計算結(jié)果對比分析顯示,牛腿模型計算結(jié)果與有限元模型驗算結(jié)果相近。牛腿計算公式更簡單,計算理論簡單明確,實用性較強。
(2)基于目前配筋情況,牛腿整體受力狀態(tài)為安全狀態(tài)。但架橋機作用區(qū)域附近應(yīng)力較為集中,建議在牛腿頂面布置防裂鋼筋網(wǎng)。
(3)本文計算方法對鋼板組合梁橋墩擴大頭設(shè)計均適用,因此本項目橋墩的設(shè)計可標準化設(shè)計。