基于等效荷載的箱梁預(yù)應(yīng)力橫隔梁配索設(shè)計

基于等效荷載的箱梁預(yù)應(yīng)力橫隔梁配索設(shè)計

1獨柱墩位置設(shè)置自20世紀(jì)80年代末以來，中國的城市橋梁和橋梁發(fā)展迅速，無論是橋梁類型和結(jié)構(gòu)，都更加先進和適合環(huán)境。過去上部結(jié)構(gòu)往往采用簡單的簡支梁、板來“以直代曲”,線形精度低且外觀凌亂,如今大量采用現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,橋梁完全吻合線形的要求,外觀渾然一體,體現(xiàn)了城市橋型的主要發(fā)展方向。同時橋墩的類型與外形也更為豐富和美觀。坡市橋梁對橋墩布設(shè)有著極高的要求,必須便于地面行車道及行人道的設(shè)置,避開管線,減少用地,滿足行車及建筑凈空要求。獨柱及門架墩以其位置設(shè)置的靈活性而越來越得到設(shè)計人員的青睞。我國許多老城市都在致力改善交通,在舊路面上架設(shè)高架橋非常流行,通常將獨柱墩立于中間分隔帶,或?qū)㈤T架墩立于路兩旁的綠化帶,在原路面交匯或平交處也常采用門架墩以保證原路面的行車要求。高速公路的立交橋布設(shè)橋墩時,也常采用獨柱墩立于被交路的中央分隔帶,當(dāng)兩線斜交較大時,采用門架墩立柱于被交路兩側(cè)則更顯其優(yōu)點。這些墩的特點就是其懸臂長度或柱間距很大,導(dǎo)致箱梁橫隔梁產(chǎn)生很大的內(nèi)力,特別是其巨大的彎矩,往往再難以用普通鋼筋來滿足配筋要求,而須給橫隔梁施加預(yù)應(yīng)力,以滿足橫隔梁的強度和變形要求。箱梁預(yù)應(yīng)力橫隔梁的應(yīng)用越來越普遍,但其設(shè)計方法實用的卻很少,對于大跨徑橋梁的0號塊件當(dāng)然可以采用三維板殼、三維實體等三維有限單元進行精確分析計算,而實際工程中大量遇到的是基本跨徑為數(shù)十米的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋,設(shè)計人員通常都會采用簡單的方法進行配索設(shè)計。筆者在運用橋梁計算軟件進行工程設(shè)計的過程中,總結(jié)出一種箱梁預(yù)應(yīng)力橫隔梁的實用設(shè)計計算方法,現(xiàn)通過實例予以詳細(xì)介紹。2橫截面設(shè)計2.1橫向截面的布置現(xiàn)行的橋梁空間程序往往可以精確地計算出橋梁在各種荷載作用下的內(nèi)力分布,除了縱向主梁外,也可以得到橫隔梁的精確內(nèi)力值?？墒菢蛄嚎臻g程序并不考慮橫隔梁的預(yù)應(yīng)力作用,因此無法直接運用程序?qū)M隔梁進行配索設(shè)計。平面桿系橋梁計算程序?qū)︻A(yù)應(yīng)力混凝土橋的設(shè)計已非常成熟,其計算模式是將橋梁體系簡化為單個縱向梁來進行計算,橫向僅考慮橫向分布的影響,不進行橫向的計算。將平面桿系橋梁程序應(yīng)用到單個構(gòu)件的計算顯然是可行的,如將橫隔梁視為單個構(gòu)件,其荷載效應(yīng)等于橋梁空間程序計算出的不利工況下的荷載效應(yīng)(即內(nèi)力值相等),利用內(nèi)力值反算出等效荷載,再將等效荷載應(yīng)用到平面桿系橋梁程序中橫隔梁構(gòu)件的計算,通過這種方法,可以綜合橋梁空間程序與平面桿系程序的長處,運用現(xiàn)行的橋梁設(shè)計軟件對橫隔梁進行精確設(shè)計,其中的關(guān)鍵在于等效荷載的求算。2.2橫向受荷與受荷主體的關(guān)系“斜彎坡及異形橋梁空間分析系統(tǒng)BSA4.01版”(以下簡稱BSA)程序通過采用三維有限元按梁格分析方法可以空間性地分析橋梁結(jié)構(gòu)的恒載、節(jié)點力、單元荷載、溫度、支座強迫位移以及活載等作用下的內(nèi)力狀態(tài),可以精確得出橫隔梁的內(nèi)力分布。從BSA的計算結(jié)果中,可以分別得出橫隔梁在恒載、(汽+人)、掛車等荷載作用下的內(nèi)力值,根據(jù)材料力學(xué)中彎矩、剪力與分布荷載集度間的關(guān)系原理(表1),按表1中(1)式將區(qū)段兩端的剪力值之差除以區(qū)段長度即為本區(qū)段的荷載集度值。當(dāng)箱梁橫隔梁的單元劃分較細(xì)時(設(shè)計時可取0.5m或更短),將各節(jié)段的外荷載視為勻布荷載是比較接近實際的。按此原理,根據(jù)橫隔梁在恒載、(汽+人)或掛車作用下的剪力包絡(luò)值(在活載作用下BSA會分別輸出最大最小兩種工況值),就可以分別反算出橫隔梁在相應(yīng)荷載作用下的等效勻布荷載。注意恒載應(yīng)包括二期恒載,活載應(yīng)包括沖擊系數(shù)。分別求出恒載、起控制作用的(汽+人)或掛車的最大值和最小值三種等效外荷載后,就可以按規(guī)范對橫隔梁進行使用階段應(yīng)力計算和承載能力極限狀態(tài)下的抗彎抗剪計算。2.3建立等效勻布荷載將橫隔梁作為單個構(gòu)件計算時其程序數(shù)據(jù)文件的組織應(yīng)注意以下幾個方面:截面描述時可將橫隔梁按簡單的矩形截面輸入,如考慮橫隔梁受彎時受壓區(qū)的有效寬度將截面作為工字梁輸入則更為精確。單元節(jié)點的劃分與BSA中橫隔梁節(jié)點位置完全對應(yīng)。構(gòu)件所受的荷載可按施工階段的桿元荷載輸入,各桿元的荷載值即為BSA中反算出的各節(jié)段的等效勻布荷載。按3種工況對橫隔梁進行驗算,工況1為[恒+(汽+人)或掛最大],工況2為[恒+(汽+人)或掛最小],工況3為[1.2恒+1.4(汽+人)最大]/1.2或(1.2恒+1.1掛最大)/1.2。工況1、2用于使用階段應(yīng)力的驗算,通過反復(fù)調(diào)索合理設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋以同時滿足工況1、2下《橋規(guī)》的各項應(yīng)力要求。工況3用于承載能力極限狀態(tài)下的抗彎抗剪計算,由于程序?qū)⑹┕るA段桿元荷載作為恒載處理,故需根據(jù)荷載組合系數(shù)反算外荷載值。3計算示例3.1箱梁預(yù)應(yīng)力鋼設(shè)計廣東莞深高速公路三期工程溫塘跨線橋為多跨連續(xù)箱梁橋,其中第一聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),跨徑組合為2×19.7m+30m+2×19.7m上下行分離式,單幅橋?qū)?6.63m,箱梁截面為單箱三室截面,受被交路限制,30m跨兩端2號、3號墩設(shè)為獨柱固結(jié)墩(2號、3號墩對稱,僅計算2號墩),其橫梁張拉預(yù)應(yīng)力,橫梁作為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件獨立設(shè)計。圖1為2號、3號固結(jié)墩處箱梁及橫隔梁斷面,圖2為2號墩橫隔梁節(jié)點劃分圖。根據(jù)圖1、2的條件及模式,按BSA格式編制數(shù)據(jù)文件,運行計算程序后可得出橫隔梁1～31節(jié)點分別在恒載、(汽+人)最大、(汽+人)最小、掛車最大、活載(汽+人)作用下的內(nèi)力,使用EXCEL工作表對BSA計算結(jié)果輸出文件進行處理,容易計算出所求等效勻布荷載,見表2。3.2預(yù)應(yīng)力橫隔梁截面彎矩根據(jù)上述設(shè)計要點,采用等效勻布荷載計算表中值分別編制3種工況下的數(shù)據(jù)文件,運用計算程序,經(jīng)多次調(diào)索后,可得到恒+(汽+人)最大作用下預(yù)應(yīng)力橫隔梁各截面上下緣正應(yīng)力(工況1:正常使用階段)、恒+(汽+人)最小作用下預(yù)應(yīng)力橫隔梁各截面上下緣正應(yīng)力(工況2:正常使用階段)、[1.2恒+1.4(汽+人)]/1.2最大作用下預(yù)應(yīng)力橫隔梁各截面彎矩(工況3:承載能力極限狀態(tài))、[1.2恒+1.4(汽+人)]/1.2最大作用下預(yù)應(yīng)力橫隔梁各截面剪力(工況3:承載能力極限狀態(tài))。再根據(jù)計算結(jié)果,進行預(yù)應(yīng)力筋布置,見圖3。4等效勻布荷載的應(yīng)用在已建成的許多連續(xù)梁橋中,橫隔梁裂縫出現(xiàn)超限的現(xiàn)象并不少見,這與連續(xù)梁橫隔梁缺乏實用而精確的設(shè)計手段有關(guān)。按上述方法進行箱梁預(yù)應(yīng)力橫隔梁的設(shè)計,設(shè)計人員可以充分運用所熟悉的常規(guī)橋梁設(shè)計程序,很方便地進行調(diào)索計算,獲得較佳的應(yīng)力圖形,特別在設(shè)計多柱式、斜交甚至是不對稱的橫隔梁時,更能顯示其優(yōu)點。筆者曾經(jīng)分析計算過,等效勻布荷載總值與柱反力是相等的(活載須對應(yīng)于某一具體車載作用情況),即豎直方向外力平衡,等