钢-混凝土组合弯梁桥设计计算实例.pdf

2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构 8 9 钢 一混凝土组合弯梁桥设计计算实例 廖莲姣 ( 深圳市综合交通设计研究院， 广东深圳 5 1 8 0 0 3 ) 摘要 ： 该文简要 介绍 了 2孔 3 3 m钢 一混凝 土组合梁 桥桥型及 截面特 点 ， 同时 针对 目前 尚无专 门用于分 析钢 一混凝 土组合弯 梁 桥的计算软件， 在采用桥梁博士程序 3 1 0版 ， 按照直梁桥进行结构的精确计算分析 ， 对空间分析采用 3 D B S A 2 0 0 6 弯坡斜桥空 间分析程序进行校核， 然后对内外侧支座反力进行对比分析。其方法可供同行参考。 关键词： 钢 一混凝土组合弯梁桥 ； 设计； 计算 中 图分类 号 ： U 4 4 8 2 1 + 6 文 献标 识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 8 9 0 4 1 工程概 况 深 圳 市梅 观 高 速公 路 华 为立 交 改 造 二期 工 程 ， 是半菱形 + 半定向立交方案 ， 主要改造内容为 新建北向c 、 D两条匝道。 D匝道上跨梅观高速公路 主线 ，设 D匝道桥 1 座 ， D匝道路线长 5 3 9 2 3 7 m， 最 小圆 曲线半径 6 0 m； 最大纵坡 4 0 2 1 ， 最小纵 坡 1 7 8 0 。 D 匝道桥为 ( 3 3 + 3 3 ) m 的钢 一混凝土组合 梁 ， 梁高 1 8 m， 其中预制钢箱梁桥轴线处梁高 1 3 5 m， 现 浇混凝 土桥 面板 箱梁腹 板处厚 度为 0 4 5 m， 箱 中心处厚 度为 0 3 5 m ( 含 O 0 9 m 厚 预制模 板厚 度 ) 。钢箱梁采用直腹板 ， 底板水平 ， 腹板高度变化 形 成横坡 ， 桥 面横 坡 2 0 ， 悬臂 2 m， 全 桥钢梁采 用工厂分段预制 ， 现场高强螺栓连接后施工桥面板 混凝土。 桥宽 B =1 0 5 m， 箱底宽 6 m。 桥面横断面组 成为 ： 0 7 5 m( 防撞护栏 ) + 9 m( 行 车道 ) + 0 7 5 m( 防 撞 护栏 ) 。图 1为桥梁立 面图， 图 2为标准横断面 。 2 技术 标准及 设计依 据 公路工程技术标准 ( J T J B 0 1 2 0 0 3 ) ； 公路桥涵设计通用规范 ( J T G D 6 0 2 0 0 4 ) ； 公路 钢筋混 凝土 及预应 力混凝 土桥 涵设 计 规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) ； 公路工程抗震设计规范) ( J T J O 0 4 8 9 ) ； 公路桥涵施工技术规范 ( J T J 0 4 1 2 0 0 0 ) ； 钢结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) ； 公 路 桥 涵 钢 结 构 及 木 结 构设 计 规 范 ( J T J 0 2 5 8 6 ) ； 城市桥梁设计准则 ( C J J 1 1 9 3 ) ； 结构重要性 系数 ： 1 1 ； 相对湿度 ： 8 0 ； 设计荷载等级 ： 公路 一 I级设计 ， 并用城 一 A 级 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 0 6 作者简介： 廖莲姣( 1 9 6 4 一 ) ， 女， 湖南人 ， 高级工程师 ， 设计所副 总工程 师 ， 从 事道路桥 梁 勘察设计 工作 。 荷载进行验算 ； 地震基本烈度：桥址区地震动峰值加速度为 0 1 g ， 按度设防； 环境类别 ： I类环境 ， 按 I I类环境设计。 3 计算参数 3 1 材 料 ( 1 ) 水泥混凝土 ： 顶板采用 C 5 0无收缩混凝 土 ， 其技术参数见表 1 所列。 剪变模量 ： G e =1 3 81 0 MP a 。 混凝土泊松 比： 1 J c =0 2 。 收缩开始时的混凝 土龄期 为 3 d ， 加载龄期为 2 8 d ， 预应力钢束张拉时混凝土强度达到标准强度 的 1 0 0 。 ( 2 ) 预应 力钢 绞线 ： 采用 1 5 2 ， 其 技术 参数 见表 2所列 。 体 内 索 张 拉 控 制 应 力 ： 1 = 0 7 2 = 1 3 3 9 2 ( MP a ) 。 一 个 钢 束孔 道 面积 ： ( p 4 )0 0 9 2 = 0 0 0 6 3 6 2 ( m ) 。 一 根 。 1 5 2 1 2钢束截面面积 ： 1 20 0 0 0 1 4 = 0 0 0 1 6 8 ( m ) 。 孔道摩 阻系数 ： m= 0 1 5 。 孔道偏差 系数 ： k = 0 0 0 1 5 。 锚具变形 回缩值 ： 1 = 0 0 0 6 。 Q 3 4 5 q C钢板 ， 其技术参数见表 3所列 。 剪变模量 ： G=0 8 1 X 1 0 ( MP a ) 。 3 2 设计荷载取值 3 2 1恒载 ( 1 ) 一 期恒载 ： 一期恒 载包括 预制钢箱 梁 、 现 浇桥面板， 按实际断面计取重量。 ( 2 ) 二期 恒载 ： 二 期恒载 为 6 c m 防水混 凝 土 现浇层 、 1 0 c m沥青铺装层及防撞护栏等。 沥青混凝 土容重取 2 3 k N m ， 单侧防撞护栏自重取 1 0 k N m。 按均布荷载考虑 ， 合计取 5 6 1 k N m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 0 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年7月第 7 期 图 1 桥 梁立面 图( 单位 ： c m ) 1 9 5 8 表 1 水泥混凝土 技术参数表 图 2 桥 梁标准横 断面图( 单位 ： mm) 强度弹性模 重度 线膨胀系 标准值 M P a 设计值 M P a 等级量 M P a， k N m 数 M 模 Pa k 重 N m M a 钢筋 量 系数 。 钢材 抗 度应力 舢 钢材 量 M P k N 一 ， m m 设计值 肿P a 应力允许值 舢 P a 3 2 2 活载 ( 1 ) 计算 荷载 ： 公路 一I级 和城 一 A 分别按 照 公路桥涵设计通用规范 ( J T G D 6 0 2 0 0 4 ) 和 城 市桥梁设计荷载标准 取值。 ( 2 ) 汽 车制动力 ： 制 动力 的着力 点在桥 面上 ， 其值按桥规规定的方法计算 。 ( 3 ) 横 向分布系数 ： 该 匝道桥为 2车道 ， 偏于 安全取横向分布系数为 2 01 2 = 2 4 。 3 2 3温 度 力 温度荷 载 ：线性温度 ：一年 内温度变化正负 3 0 。， 非线性温度梯度升温 1 5 。 ， 降温 一 7 。， 另外叠 加考虑桥面板收缩的 一 l 5 o 2 。 3 2 4 基 础 不均 匀 沉 降 按支点不均匀沉降 1 0 c m考虑。 4 计算模型 4 1单元划分及节点数 结构计算采用 3 D B S A 2 0 0 6弯坡斜桥空间分 析程序计算( 见图 3 ) 。 结合梁单元 1 6 8 ， 节点 1 6 9 和平面程序顺序相同。墩柱单元 7 个， 节点为 3 5 ， 7 O 一 7 6 。用刚臂单元模拟桥面 ， 用于活载加载计算。 _ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 桥梁结构 城 市道桥与防洪 2 0 1 3 年7月第 7 期 1 5 4 MP a ， 最大拉应力 为 ： 一 5 0 MP a ； 最 大主压应 力 为： 1 6 0 M P a ， 最大主拉应力为： 一 5 0 M P a ； 最大剪应 力为： 7 8 M P a ； Q 3 4 5 q c钢材允许弯曲应力为： 盯 =2 6 2 5 MP a ， 允许剪应力为 ： T ：1 2 0 MP a 。 正常使用阶段主截面上下缘应力极值均未超 过容许值 ， 满足规范要求 。 5 4 附加截面正常使用阶段组合应力验算 附加截面在正常使用阶段长期效应组合下 ， 上下缘未出现拉应力 ， 最小正应力为 ： 0 2 1 MP a ； 短 期效 应组合下 ， 最大拉应力为 ： 一 1 4 6 M P a ， 最大主 拉应力为： 一 1 4 6 M P a ； 标准值组合下 ， 最大压应力 为 ： 8 6 8 MP a ， 最大主压应力为 ： 8 7 2 MP a 。 根据规范 要求 ， A类 预应力混凝 土构件 作用 长期效应组合下不允许出现拉应力 。 作用短期效应组合下， C 5 0混凝土容许拉应力 为 ： 1 = 0 7 X 2 6 5 =1 8 5 5 ( MP a ) ， 容 许 主拉应 力 为 ： 盯。 1 ： 0 5 X 2 6 5 =1 3 2 5 ( MP a ) ； C 5 0混凝土容许 法向压应力为 ： 13 k c +盯 一O 53 2 4 =1 6 2 ( MP a ) ， 容许 主压应力为 ： =0 63 2 4 =1 9 4 4 ( MP a ) 。 正常使用 阶段主截 面上下缘应力极值均未超 过容许值 ， 满足规范要求。 5 5 钢束最大应力验算 正常使用极限状态荷载作用下 ，箱梁预应力 钢束最 大拉应 力为 ： 1 1 8 5 MP a ，容许最 大拉 应力 为 ： 0 6 5 1 8 6 0 =1 2 0 9 ( MP a ) ， 满足规范要求。 6 主梁刚度计算 可变作用下截面的最大挠度允许值为 ： 两边跨 ： U6 0 0 = 3 2 5 0 0 6 0 0 = 5 4 2 ( ram) ( 其中 L为 计算跨径 ) 。 根据计算结果表明， 活载作用下边跨跨 中节点竖 向最大向下位移为： 9 1 mm ， 最大向上位移为： 3 7 m m。 9 1 + 3 7 = 1 2 8 ( mE) V ； 故桥墩立柱满 足能 力保 护构件的要求。 若采用铅芯橡胶支座 ，桥墩立柱内力 明显变 小， 则也能满足规范要求。 4 总体结论 桥墩较矮 ， 桥梁下部结构 刚度较大时 ， 采用铅 芯橡胶支座能够明显延长结构 白振周期 ，减小地 震力 ， 保证在强震作用下桥墩立柱处于弹性 ； 桥墩 较高 ， 桥梁下部结构 刚度不大时 ， 采用铅芯橡胶支 座后 ， 桥梁 自振周期变化不及矮墩 ， 但地震力有明 显 的变化 ， 能够改善桥墩立柱受力。 铅芯橡胶支座能够提供地震状况下的耗 F l u n u 力 ， 但是造价略高 ， 且在现场安装工作较板式橡胶 支座复杂。桥梁设计工作中， 应结合桥梁抗震设防 标准，根据工程实际需要合理选用铅芯橡胶支座 和板式橡胶支座。 参考 文献 1 J T G T B - 2 0 0 8 ， 公 路桥 梁抗 震设计 细则 一E 京 ： 人 民交 通 出版 社 2 0 0 8 2 C J J 1 6 6 2 0 1 l ， 城 市桥 梁抗 震设 计 规范 【 s 北 京 ： 人 民 交通 出版 社 ， 2 0 1 1 3 叶爱君， 管仲国 桥梁抗震【 M 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m