中小跨径桥梁截面优化设计研究.pdf
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1、交通世界TRANSPOWORLD0 引言当前,我国山区公路施工面临的地形地质环境较为复杂,中小跨径箱梁得益于其应用优势(施工方便、结构合理、质量可靠),在河流、沟壑、疑难土等路段得到了大规模建设。箱梁设计、施工技术要求较高,箱梁截面优化作为设计阶段的关键工作,对箱梁运营质量、安全、成本具有重要意义,截面优化方案设计需要结合项目建设实际环境、技术指标、经济成本控制要求而开展。箱梁截面的改善不仅能够优化结构布置,而且弱化了现浇混凝土施工成本,开展箱梁截面优化力学响应分析能够为类似项目提供重要技术支撑。1 工程概况河北省某中小跨径钢筋混凝土箱梁跨越山区河流,桥梁中心桩号K0+200,三跨构造,跨径2
2、0 m+20 m+20m,上部结构为等截面预应力现浇钢筋混凝土连续箱梁,单箱双室设计,下部结构则采取柱式墩。该桥梁结构设计荷载为公路级,桥面设计宽度12 m,双向二车道,设计车速80 km/h,洪水设计频率1/100。桥梁设计采取主要材料如下:箱梁主体结构采取C40混凝土,密度2 550 kg/m3,弹性模量3.5104MPa;钢材则采取HRB热轧螺纹钢(钢筋d大于12 mm)或者R235(A3)钢(钢筋直径小于12 mm);DC-80型伸缩缝;雕石护栏1。箱梁结构整体处于公路路线直线段,采取满堂支架混凝土现浇施工,下部结构中桩柱式桥墩和箱梁相互固结处理;桩基础采取摩擦桩设计。桥梁结构具体尺寸
3、如图1所示。初步设计中对于箱梁结构截面尺寸设计要求如下:跨中截面底板尺寸控制在100200 mm,且以150 mm或箱梁内壁净距/30为最佳;箱梁腹板厚度和顶板厚度影响较大,如腹板间距在34.5m时,顶板厚度控制为200 mm;腹板间距3m,则要求顶板厚度达到 175 mm;腹板间距 4.57m 时,要求顶板厚度 250mm;腹板间距达到 710m 时,箱梁顶板厚度最大为300 mm。设计单位拟对该箱梁截面进行优化分析,在确保箱梁结构在不同工况荷载作用下满足使用安全的基础上,控制施工建设成本。2 箱梁截面优化基本条件2.1 截面优化参数该箱梁截面采取单箱双室设计,图2为桥梁结构等截面断面示意图
4、,该断面设计变量包括X1(左侧顶板收稿日期:2023-01-11作者简介:赵新玉(1987),男,河北威县人,工程师,从事路桥设计工作。中小跨径桥梁截面优化设计研究赵新玉(石家庄冀星路桥工程设计有限公司,河北 石家庄 050091)摘要:依托河北省某中小跨径等截面预应力混凝土箱梁工程,采用ANSYS有限元进行箱梁截面的优化设计,研究结果表明,截面优化后的桥梁体积减小10%;桥梁截面优化后在面临不同荷载作用下的结构应力、变形略有增大,稳定性满足规范允许范围。研究表明,本文开展的箱梁截面优化有助于控制施工成本,具备良好的方案可执行性。关键词:箱梁截面;优化设计;桥梁体积中图分类号:U442文献标识
5、码:B(a)立面图(b)下部结构图图1 桥梁结构示意图单位:cm155总651期2023年第21期(7月 下)高度)、X2(左侧不包含两侧倾角的箱梁截面腹板高度)、X3(左侧箱梁截面底板厚度)、X4(右侧不包含两侧倾角的箱梁截面腹板高度)、X5(右侧箱梁截面底板厚度)、X6(箱梁截面底面宽度)2。箱梁截面初步设计中选取 X1=22 cm、X2=13 cm、X3=20 cm、X4=52 cm、X5=40 cm,其中依据最小保护层厚度技术要求可知,X1需要大于20 cm,X2大于10cm,X3大于18 cm,X4大于45 cm,X5大于35 cm。同时,设计单位结合该箱梁的行车道通行量需求及相关路
6、面设备宽度影响,箱梁底面宽度X6需要满足3 cm以上的基本要求,如果设计中选取较小的底面宽度 X6,则会造成过大的箱梁截面悬臂端长度,引发悬挑梁结构破坏现象,此时的悬臂容易产生承载力丧失导致的倾覆危害,为此,X6需要尽量避免过小。单位:cm图2 桥梁结构等截面断面示意图2.2 荷载取值为分析不同荷载作用下的箱梁结构截面优化效果,设计单位考虑该钢筋混凝土箱梁在车辆荷载、风荷载、重力作用下的ANSYS有限元力学响应分析。结合该区域类似箱梁项目,设计单位设定该桥梁承受的标准风荷载Wk=2.36 kN/m2;路段该桥梁的车辆通行量在不断增大,车辆荷载加载主要以车道荷载形式进行桥梁结构的施加,行车荷载计
7、算简图如图3所示。考虑到项目设计荷载标准为公路级,该桥梁为对称结构,选取箱梁结构一半进行车道荷载分析,其中,箱梁边跨20 m,依据相关规范获取Pk=165 kN、qk=7.9 kN/m;中间跨长度20 m,一半箱梁结构的Pk=92 kN、qk=7.9 kN/m3。图3 行车荷载施加示意图2.3 约束条件为分析箱梁不同截面下的经济指标及力学响应,设计单位需要对箱梁结构关键指标进行一定约束。项目箱梁结构为三跨(20 m+20 m+20 m),边跨长度 20m,则依据相关规范获取挠度允许值20/800=25 mm;中跨长度 20 m,其关联挠度允许值则为 20/700=29 mm。ANSYS为简化分
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