大跨度单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥设计

第27卷 第1期 湖 南 城 市 学 院 学 报 （自然科学版） Vol. 27 No.1 2018年1月 Journal of Hunan City University （Natural Science） Jan. 2018 大跨度单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥设计 吴 薇 (广东省冶金建筑设计研究院，广州 510080) 摘 要：结合钢腹板连续组合箱梁的结构受力特点和混凝土与钢材的连接特点，针对单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥进行了有限元分析，有限元分析模型以红棉大道工程一期主桥为依托，利用商业软件midas，对单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥进行抗弯计算、抗剪计算，以其有限元计算的数据为基准，揭示了该工程针对大跨度单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥的设计的改善方法． 关键词：波形钢腹板混凝土组合箱梁；体外预应力；大跨度桥梁；有限元 中图分类号：U443 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2018.01.0002 文章编号：1672–7304(2018)01–0007–05 Design on Long - Span Single Box Dual Chambers Corrugated Steel Web Continuous Composite Box Girder Bridge WU Wei (Guangdong Metallurgical and Architectural Design Institute, Guangzhou, Guangdong 510080, China) Abstract: Combined the structural force characteristics and the concrete and steel connection characteristics of continuous composite box girder with steel web are investigated, the single box dual chamber corrugated steel web continuous composite box girder bridge is subjected to the finite element analysis. The finite element analysis model is based on the Hongmian Road Project. The composite box girder bridge is subjected to bending calculation and shear calculation by using the commercial software Midas. Based on the data of finite element calculation, the design and improvement method of this project for single box dual chamber corrugated steel web continuous composite box girder with large span is revealed. Key words: corrugated steel web composite concrete box girder; prestress in vitro; long span of the bridge; finite element 波形钢腹板混凝土组合箱梁(以下简称为CSW组合箱梁)是一种新型的、针对桥梁体系的、轻型高强的钢－混凝土组合结构．CSW组合箱梁可看成是由混凝土顶底板、体外预应力筋和波形钢腹板三者构成的组合结构，并且充分发挥了钢和混凝土材料的各自特点，利用了混凝土抗压强度高，波形钢腹板抗剪屈服强的材料特性在欧美得到广泛的应用，而在我国也得到逐渐的推广和应用[1-5]． 众所周知，桥梁设计正往大跨度，轻质高强方向发展，而CSW组合箱梁就是具备轻质高强特性的构件，所以如何使CSW组合箱梁跨度增大则成了设计关键问题[1]．桥梁的跨度增大，跨中弯矩和支点反弯矩必然会增大，其抗弯，抗剪和抗扭设计则成了技术难点．此外，为了兼顾桥梁的安全性和耐久性，大跨度的CSW组合箱梁桥也要着重波形钢腹板和混凝土顶板和底板的连接设计[6-8]．因此，大跨度单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥设计具备工程研究价值． 本文首先以红棉大道工程一期主桥为例子，剖析其主要情况和设计特点，利用商业软件midas，建立大跨度CSW组合箱梁桥有限元模型，分析其内力和应力特性，并且对其进行抗弯计算、抗剪计算．以其有限元计算数据为基准，揭示了本工程针对大跨度单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥的设计改善方法． 1 工程概况 1.1 大跨度CSW组合箱梁桥设计概况 红棉大道工程一期(风神立交~西二环高速和顺立交)位于广州市花都区中西部，路线途经新华街、炭步镇，总体呈南北走向，北起风神大道(风收稿日期：2017-12-14 作者简介：吴薇(1986-)，女，广州人，工程师，主要从事市政路桥设计．E-mail: 385220439@qq.com 8 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版） 2018年第1期 神立交)，向南依次与工业大道、黄河路(规划)、岐山路、车城大道(规划)、白云六线(规划)、巴江河，港口大道(规划)、水泥厂路、炭中路(规划)等道路相交，终点最后接佛山一环东线的北延长线与西二环相交，全长8.134 km，道路等级为城市快速路，计算行车速度60 km/h；桥梁荷载等级为城-A级；巴江河通航等级为内河三级航道，净空BH=110 m×10 m． 主桥为78 m+130 m+78 m大跨度CSW组合箱型连续梁桥，为3向预应力混凝土结构，主梁为分幅式单箱双室截面．主桥布置见图1，CSW组合箱梁横截面见图2．单幅箱梁顶宽19.25 m，图1 主桥布置图 图2 CSW组合箱梁横截面图 单侧悬臂长度为3.375 m，桥面横坡为单向2％，箱底宽12.5 m，箱底保持水平．墩顶0号梁段长11.6 m，2个“T构”的悬臂各分为12对梁段，单节长度为4.8 m，累计悬臂总长57.6 m．跨中合拢段和边跨合拢段均为3.2 m长，2个边跨现浇梁段各长11.4 m．墩顶处箱梁梁高为7.5 m，高跨比1/17.3，中跨跨中以及边跨现浇梁段梁高均为3.5 m，高跨比1/37.1．箱梁高度按二次抛物线变化；箱梁顶板厚为30 cm；箱梁底板根部厚为100 cm(未含倒角)，中跨跨中及边跨现浇段为30 cm，箱梁底板厚也按二次抛物线变化；腹板采用1600型波形钢腹板，箱梁中支点单侧9.1 m范围、边 第27卷 吴薇：大跨度单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥设计 9 支点3.35 m范围内采用混凝土加厚(钢混凝土组合腹板段)，以增加抗剪抗扭能力，其厚度按直线渐变． 纵向预应力配置了顶板束(T)、底板束(B)、体外束(TW)．顶板钢束T0～T4采用22Φs15.2 mm钢铰线，T5～T12采用19Φs15.2 mm钢铰线；边跨底板钢束BB1～BB2采用19Φs15.2 mm的钢铰线，中跨底板钢束CB1～CB8采用12Φs15.2 mm的钢铰线；边跨顶板钢束BT1～BT2采用19Φs15.2 mm的钢铰线，中跨顶板钢束CT1～CT2采用17Φs15.2 mm的钢铰线．钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa，锚下张拉控制应力0.75fpk=1 395 MPa．预应力管道均采用预埋塑料波纹管成形．张拉控制采用张拉力与延伸量的双控体系． 箱梁的波形钢腹板采用的体外预应力束体符合国家标准《环氧涂层七丝预应力钢绞线》(GB/T 21073-2007)规定的，每束采用19根15.2 mm钢绞线，外包HDPE护套．其标准抗拉强度fpk=1 860 MPa，延伸率≥3.5%，张拉控制应力＝0.65fpk=1 209 MPa．箱梁体外钢束采用专用锚具，性能满足国际预应力协会FIP《后张预应力体系的验收和应用建议》、《体外预应力材料及体系》及《公路桥梁预应力钢绞线用锚具、夹具和连接器》(JT/T 329-2010)的技术要求[7]． 箱梁在0#块梁段设1道3 m中横梁，边跨端部各设1道2.3 m的横梁，边跨设置2道横隔板，中跨设置4道横隔板，横隔板厚度为0.5 m．波形钢腹板：采用符合《桥梁用结构钢》(GB/T 714-2008)标准的Q345qC钢；波形钢腹板连续梁顶底板、梁底调平楔形块采用C55混凝土． 1.2 大跨度CSW组合箱梁桥连接设计 如图3所示，波形钢腹板与混凝土顶板采用Twin-PBL连接，与混凝土底板采用S-PBL键+栓钉连接．其中，上翼缘钢板与上开孔钢板厚度采用20 mm，下翼缘钢板与下开孔钢板厚度采用16 mm，开孔Φ60，孔间距160 mm，上开孔钢板高 (a)Twin-PBL连接 (b)S-PBL+栓钉连接 图3 波形钢腹板与混凝土顶、底板连接示意 度为200 mm，下开孔钢板高度为150 mm，顶板贯穿钢筋Φ28，底板贯穿钢筋Φ25；栓钉采用Φ19 mm，长度15 cm． 此外，波形钢腹板之间的连接主要有：高强螺栓单面摩擦连接、全断面熔融焊对接连接、搭接连续贴角焊接连接等几种方式，为方便施工设计采用了搭接连续贴角焊接连接的方式，使用螺栓临时固结． 2 大跨度CSW组合箱梁桥有限元模型 本桥为78 m+130 m+78 m三跨变截面波形钢腹板连续梁桥体系，根据设计图纸的结构布置和施工方法，采用大型空间桥梁有限元计算软件MIDAS CIVIL建立结构有限元分析模型．按主梁对结构整体建模，箱梁取全截面进行计算，不计桥面混凝土铺装与箱梁共同作用，仅作为二期恒载考虑，活载横向分布系数按考虑活载偏心作用的偏心系数法计算，按全预应力混凝土构件设计． 全桥共分个节点，70个单元，有限元离散模型及关键截面示意图见图4． 图4 主桥有限元计算模型 3 测试结果分析 3.1 CSW组合箱梁桥正常使用极限状态 根据图5~图8的正常使用极限状态的弯矩剪力结果以及应力计算结果，其验算结果如下． (1)受拉区预应力钢筋拉应力验算．施工阶段扣除短期预应力损失后的预应力钢筋锚固端的最大有效预应力为：con1 253 MPa0.75fpk10 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版） 2018年第1期 1 395 MPa；使用阶段扣除全部预应力损失并考虑 MPa0.65fpk最大拉应力为：pep1134MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM DIAGRAM弯矩-y作用标准值引起钢束应力变化后，预应力钢筋的170673.92149081.36127488.791056.2384303.6762711.1141118.5419525.980.00-23659.15最大: 169160.1 最大: 170624.5 最大: 170673.9 最大: 169210.3 -45251.71-66844.27 PostCSCBall: RC ENV_SE~MAX : 50MIN : 15文件:巴江河大桥单位:kN*m日期:04/30/2014表示-方向X:0.000Y:-1.000Z:0.000图5 正常使用极限状态荷载组合弯矩包络图 MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM DIAGRAM剪力-z43862.3535887.3027912.2519937.1911962.14最大: 43862.3 0.00-3987.96-11963.01-19938.06-27913.11-35888.16-43863.21最大: -43863.2 PostCSCBall: RC ENV_SE~MAX : 50MIN : 21文件:巴江河大桥单位:kN日期:04/30/2014表示-方向X:0.000Y:-1.000Z:0.000图6 正常使用极限状态剪力包络图 MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS 组合4(-y,-z)-1.83-2.70-3.56-4.43-5.30-6.17-7.04-7.91-8.78-9.65-10.52最大: -11.3 最大: -11.3 最大: -11.4 -11.39PostCSCBall: RC ENV_SE~MAX : 1MIN : 61文件:巴江河大桥单位:N/mm^2日期:04/30/2014表示-方向X:0.000Y:-1.000Z:0.000图7 正常使用极限状态荷载组合下缘应力包络图(单位MPa拉+压-) MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS 组合4(-y,-z)-1.83-2.70-3.56-4.43-5.30-6.17-7.04-7.91-8.78-9.65-10.52最大: -11.3 最大: -11.3 最大: -11.4 -11.39PostCSCBall: RC ENV_SE~MAX : 1MIN : 61文件:巴江河大桥单位:N/mm^2日期:04/30/2014表示-方向X:0.000Y:-1.000Z:0.000图8 正常使用极限状态荷载组合下缘应力包络图(单位MPa拉+压-) 因此预应力钢筋最大拉应力满足要求． 1 209 MPa．(2)正截面抗裂验算．所有荷载组合下，主桥主梁的梁底及梁顶均未出现拉应力，因此所有截面均满足全预应力混凝土构件正截面抗裂要求． (3)使用阶段正截面压应力验算．使用阶段最大压应力kcpt12.58 MPa0.5fck17.75 第27卷 吴薇：大跨度单箱双室波形钢腹板连续组合箱梁桥设计 11 MPa，满足弹性阶段正截面压应力的使用要求．3.2 CSW组合箱梁桥承载力极限状态计算 根据图9和图10的承载力极限状态计算的弯矩剪力结果以及应力计算结果，其验算结果使用阶段正截面抗弯验算：承载能力状态抗弯验算满足规范设计要求． MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM DIAGRAM弯矩-y187749.970.00-83186.19-218654.28最大: -1302398.9 最大: -1302398.9 最大: -1302330.9 最大: -1302330.9 -354122.36-4590.44-625058.52-760526.60-5994.69-1.03146e+006-1.16693e+006-1.30240e+006PostCSCBall: RC ENV_STRMAX : 35MIN : 21文件:巴江河大桥 *单位:kN*m日期:04/30/2014表示-方向X:0.000Y:-1.000Z:0.000图9 承载能力极限状态弯矩包络图 MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM DIAGRAM剪力-z 54875.748.2534920.7524943.2414965.74最大: 54875.8 0.00-49.28-14966.78-24944.29-34921.79-449.30-54876.80最大: -54876.8 PostCSCBall: RC ENV_STRMAX : 50MIN : 21文件:巴江河大桥 *单位:kN日期:04/30/2014表示-方向X:0.000Y:-1.000Z:0.000图10 承载能力极限状态剪力包络图 4 大跨度CSW组合箱梁桥设计改善措施 (1)采用波形钢腹板箱梁常用的体外预应力方式以满足规范的抗裂计算； (2)采用混凝土加厚波形钢腹板，以增加其抗剪抗扭能力，顶板和底板的混凝土可以采用高强度的混凝土； (3)采用良好的组合结构连接方式，使大跨度CSW组合箱梁拥有良好的整体性，例如PBL+栓钉连接等； (4)已有研究表明，横隔板的增加能够有效减少CSW组合箱梁发生扭转和畸变，因而本工程采用良好横隔板设计． 组合箱梁桥的抗剪和抗扭性能，这是尤为重要的设计改善措施； (3)通过本工程针对大跨度CSW组合箱梁桥的设计，满足正常使用极限状态和承载力极限状态的验算． 参考文献： [1]刘玉擎. 组合结构桥梁[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005. [2]雷峰涛. 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁腹板稳定性研究[D]. 西安: 长安大学, 2011. [3]李宏江, 叶见曙, 万水, 等. 剪切变形对波形钢腹板箱梁挠度的影响[J]. 交通运输工程学报, 2002, 2(4): 17-20. [4]陈宝春, 王远洋, 黄卿维. 波形钢腹板混凝土拱桥新桥型构思[J]. 世界桥梁, 2006(4): 10-14. [5]单成林. 波形钢腹板预应力梁桥体外索参数有限元分析[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2006, 34(4): 5-8. [6]胡华万. 波形钢腹板PC组合箱梁剪切屈曲性能研究[D]. 成都:西南交通大学, 2009. [7]宋建永. 波纹钢腹板体外预应力组合梁力学性能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2003. [8]江克斌, 丁勇. 波纹钢腹板组合箱梁桥力学性能研究现状及发展[J]. 钢结构, 2010, 25(12): 1-5. 5 结论 (1)本CSW组合箱梁桥不仅为大跨度桥梁，还是新型的单箱两室箱梁，其设计要考虑抗剪和抗扭特性； (2)采用混凝土加厚波形钢腹板、良好的组合结构连接方式和横隔板的设计能有效提高CSW(责任编校：陈健琼)