大跨度槽型组合梁结构设计合理性验算分析.pdf
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1、文章以某上跨高速公路5 0 m大跨径槽型组合梁为研究对象,根据结构设计几何参数,基于有限元数值模拟软件对结构纵、横向受力情况进行了计算分析。结果表明:该槽型组合梁承载能力、桥面板裂缝宽度均满足规范要求,结构设计合理可行,分析过程可为类似结构的设计提供参考。关键词:高速公路;槽型组合梁;有限元数值模拟;承载能力;裂缝宽度中图分类号:U448.21+6文献标识码:ADOl:10.13282/ki.Wccst.2023.08.051文章编号:16 7 3-4 8 7 4(2 0 2 3)0 8-0 16 1-0 30引言高速公路建设中,桥梁大多以中小跨径装配式预应力混凝土结构为主,当桥梁跨越深沟、既
2、有高速公路时,受地形地质条件影响,必然采用大跨度结构形式,而钢结构具有承载能力高、施工便捷等突出优势,通常作为首选结构。钢混组合结构力学性能优于钢结构,相同跨径可降低梁高,同时桥面板混凝土施工时可依托钢作为底模,因此钢混组合结构具有广阔的应用前景。在欧美、日韩等发达国家中,钢混组合桥梁占比大,桥梁施工质量易于控制,更加重视低碳环保理念,而国内钢混组合桥梁的发展历程较短,应用规模相对较小,对于该类桥型的相关研究也有待进一步提升。钢混组合梁钢结构部分通常包括钢箱、钢桁、钢板等形式,桥面板大多采用预制施工,预制板通过湿接缝连接成整体,施工速度较快。在钢箱组合梁中,将钢箱上翼缘设置为开口形式的槽型组合
3、梁出现较晚。李杰等1对钢混组合梁的应用现状、发展趋势和关键性技术问题进行了阐述;郭飞等2 从钢箱组合梁角度入手,构思了一种新型槽型组合梁结构形式并对施工过程进行了重点分析;王浩3通过模型试验手段研究了波形钢腹板槽型组合梁静力和疲劳性能;陈刚4 经多方案比选,对推荐方案大跨径钢桁一槽型梁组合结构桥构造特点、受力性能和施工工艺进行了可行性研究;左一泽等5 通过实体节段有限元模型分析了槽型双箱组合梁斜拉桥桥面板的有效宽度。目前,关于槽型组合梁的相关研究不够系统和深入,大多停留在方案设计与施工工艺方面,对于特定跨径槽型组合梁整体设计参数的介绍和结构计算分析上缺少一定的研究。本文通过实际工程案例,对5
4、0 m大跨径简支槽型组合梁设计参数和计算情况进行详细阐述,以提高桥梁设计人员对于槽型组合梁的认识。1结构设计某车行天桥上跨高速公路,为避免在高速公路中分带落墩,降低运营高速安全风险,经桥型方案比选后,采作者简介:吴晓华(198 1一),工程师,主要从事公路养护、工程项目管理工作。用一跨5 0 m大跨径槽型组合梁跨越高速公路。车行天桥主要技术标准为:(1)单向双车道设计,桥梁总宽13950mm;(2)设计速度10 0 km/h;(3)荷载等级为公路-I级;(4)地震动峰值加速度为0.0 5 g。结构按分离式两箱槽型梁设计,组合梁总高30 0 0 mm,高跨比为1/16.7,其中槽型梁高度2 6
5、0 0 mm,与槽型梁连接处的桥面板混凝土厚度4 0 0 mm,桥面板混凝土横向跨中厚度260mm,按照钢筋混凝土构件设计。由于跨径较大,为适应受力需要,槽型梁纵向划分为5 个梁段,标准横断面和梁段划分情况分别如图1和图2 所示。6000092-2 050.2250-4梁段1梁段2图2 梁段划分示意图主要设计参数如下:梁段1长度为95 0 0 mm,上翼缘、腹板和底板厚度分别为2 6 mm、2 0 m m 和2 6 mm;梁段2长度为9 0 0 0 mm,上翼缘、腹板和底板厚度分别为34mm、18 m m 和32 mm;梁段3长度为12 8 8 0 mm,上翼缘、腹板和底板厚度分别为38 mm
6、、18 m m 和36 mm。上翼缘宽度为8 0 0 mm,下翼缘宽度为2 2 5 0 mm,腹板处设置纵、竖向加劲肋。下翼缘设置纵向加劲肋,槽型梁与桥面板混凝土采用焊钉连接,槽型梁内设置框架式横隔板以减轻恒载自重,横梁高度为15 0 0 mm,横梁与横隔板5000mm设置一道。槽型梁及加劲肋采用QB45qD,弹性模量为2.0 6 10 5 MPa,泊松比为0.31,容重为7 8.5 kN/m,1395012.7505350图 1标准横断面图(mm)梁段3+梁段2+梁段1600+2 250+2 0502023年第8 期总第193期16 1桥隧工程计算时考虑1.5%的焊缝重量。桥面板混凝土采用C
7、50,弹性模量为3.4 5 10 4 MPa,泊松比为0.2 1,容重为26kN/m。桥面铺装设置10 0 mm厚的沥青混凝土,容重24kN/m。护栏按SS级防撞等级设计,单侧荷载集度为12 kN/m。2结构纵向计算槽型组合梁主要施工阶段包括:钢梁架设、吊装预制桥面板并浇筑湿接缝和剪力槽、槽型组合梁形成联合截面、完成桥面系施工并成桥。对于组合梁的整体建模一般采用双层单元法和施工阶段联合截面法,其中施工阶段联合截面更符合实际施工过程并能准确考虑收缩徐变和温度的影响。此处采用施工阶段联合截面法建模,横向连接采用虚拟横梁形式,所建立的纵向模型如图3所示,全桥共14 0 个节点、14 3个梁单元。图3
8、纵向分析有限元模型图2.1施工阶段分析槽型梁钢结构架设后,桥面板混凝土作为湿重时,结构应力较为不利,选取该阶段为关注施工阶段。由于恒载作用下结构对称,取一片槽型梁进行分析,如图4所示。组合!(-y+z)6.05942e-020.00000e+00-5.01604e+01-7.52709e+01-1.00381e+02-1.25492e+02(a)上翼缘组合4(-%;+z)9.93653e+017.94828e+015.96002e+013.97176e+010.00000e+00-4.75058e-02(b)下翼缘图4 槽型梁架设后形成联合截面前翼缘应力云图(MPa)槽型组合梁形成联合截面前,
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