重载管廊栈桥宽幅预制箱梁精细化设计.pdf

重载管廊栈桥宽幅预制箱梁精细化设计 杨 胜，樊小伟，许富琳（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）摘要：本文结合东华能源（茂名）烷烃资源综合利用项目，针对重载管廊栈桥的受力特点，从方案选择、总体计算、横梁尺寸分析、实体模型分析对比、局部模型分析、应力扰动区设计等方面介绍了重载管廊栈桥宽幅预制箱梁精细化设计。宽幅预制箱梁承载能力强、整体刚度大，特别适用于重荷载、长距离、管廊分期实施的重载管廊栈桥。关键词：宽幅预制箱梁；管廊栈桥；应力扰动区；拉压杆模型 中图分类号：U448.18 文献标识码：A 文章编号：1004-9592（2023）04-0067-05 DOI:10.16403/ki.ggjs20230415 Precise Design of Wide Precast Box Girder for Heavy Load Pipe Gallery Trestle Yang Sheng,Fan Xiaowei,Xu Fulin（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430071,China）Abstract:Based on Donghua Energy(Maoming)alkane resource complex,the precise design of wide prefabricated box girder for heavy-load pipe gallery trestle is shown in detail from the aspect of plan selection,overall calculation,beam size analysis,solid model comparative analysis,partial model analysis,stress disturbed zone design by focusing on the stress characteristics of heavy-load pipe gallery trestle bridge.Wide prefabricated box girder is of strong bearing capacity and high overall stiffness,which especially apply to the pipe gallery trestle with heavy load,long distance and executed in stages.Key words:wide prefabricated box girder;pipe gallery trestle;stress disturbed zone;strut-and-tie model 引引 言言 管廊栈桥在水运工程中非常常见，通常用于连接港区与码头，设计时一般根据管廊规模、工艺需求，常选用钢联桥、空心板、T 梁、预制箱梁等结构形式。钢联桥造价高，运营期维护困难；空心板承载力小、耐久性差；T 梁施工期稳定性差、整体刚度小、工期长的问题；预制箱梁整体刚度大、工期短、承载能力强，比较适合长距离的重载管廊栈桥。本文以东华能源（茂名）烷烃资源综合利用项目中的管廊栈桥为例，介绍了一种适用于重荷载、管廊分期实施、承受大偏载的宽幅预制箱梁精细化设计。1 工程概况工程概况 东华能源（茂名）烷烃资源综合利用项目的管廊栈桥连接码头和港区，管廊栈桥总长度为 4 169.9 m，其中陆域段长度为 625.5 m，海域段长度为 3 544.4 m。2 总体方案总体方案 2.1 荷载工况荷载工况 根据工艺、检修需求，拟建管廊栈桥布置为：管廊宽度 5.5 m，预留管廊宽度 5.5 m，中间设置 4.5 m 宽检修车道，管廊栈桥两侧各设置 0.25 m防护栏杆，管廊栈桥桥面总宽度 16 m。管廊标准收稿日期：2022-11-10 作者简介：杨胜（1980-），男，本科，高级工程师，主要从事桥梁及结构设计工作。67Port,Waterway and Offshore Engineering 跨距为 10 m，共 4 层，总高度 6.5 m。管廊断面布置情况如图 1 所示。图 1 管廊栈桥断面布置图 图 1 管廊栈桥断面布置图 一期管廊上架设管线 30 多根，荷载大、偏载严重，荷载工况复杂，一期管廊柱脚传递至栈桥上的荷载情况如表 1 所示。表 1 管廊柱脚荷载汇总表 表 1 管廊柱脚荷载汇总表 管廊荷载标准组合 位置 竖向力/kN水平力/kN 弯矩/kN.mB 轴 173.34 17.08 23.31 标准段 A 轴 282.57 27.05 45.48 B 轴 460.30 36.24 114.75 垂直补偿段 A 轴 622.59 58.54 200.87 主梁单片梁所承受的垂直补偿段管廊荷载是公路-级荷载的 2.3 倍以上。2.2 总体方案总体方案 根据水文、地质条件、施工条件，进行多跨径比选，栈桥最优跨径为 30 m。同时结合管廊荷载特点（重载、偏载），运输、吊装能力（吊重要求控制在 180 T 以内）及工期要求，经综合比选，上部结构采用梁宽 3.5 m 的宽幅预制箱梁方案。图 2 宽幅预制箱梁断面布置 图 2 宽幅预制箱梁断面布置 3 总体分析总体分析 3.1 结构计算结构计算 主梁上部采用Midas/Civil软件建立三维整体梁格模型，准确模拟宽幅预制箱梁在自重、二期恒载、温度、检修车、管廊等荷载的受力情况。有限元模型如图3所示。图 3 整体有限元计算模型 图 3 整体有限元计算模型 对宽幅预制箱梁进行承载能力极限状态和正常使用极限状态验算，主要计算结果如表 2 所示。表 2 宽幅预制箱梁计算结果汇总表 表 2 宽幅预制箱梁计算结果汇总表 承载能力极限状态 正常使用极限状态 持久状况构件应力 正截面拉应力/MPa 正截面抗弯承载能力验算/kN.m 频遇组合准永久组合斜截面主拉应力/MPa 正截面压应力/MPa 主压应力/MPa 计算内容 作用效应 结构抗力 最大限值最大限值最大限值最大 限值 最大限值 一期管廊 18 937.2 27 528.1 1.84-1.8552.010-0.51-1.85514.2 16.2 14.219.44 一期管廊+预留管廊 22 092.8 27 528.1 1.73-1.8552.330-0.57-1.85515.48 16.2 15.4819.44 注：表中拉应力为正，压应力为负。计算结果表明，在承受一期管廊荷载及一期管廊+预留管廊荷载两种不同工况下，宽幅预制箱梁的整体计算均能满足规范要求，且有一定的安全储备，表明宽幅预制箱梁在承受偏载和管廊荷载作用下，具备良好的受力性能。3.2 横梁尺寸分析横梁尺寸分析 管廊栈桥的特点是在每片预制箱梁上设置两道管廊支腿，支腿尺寸为 70 cm70 cm（横桥向顺桥向），支腿预埋件需要埋设进预制梁体内约 80 cm，因此初步考虑支腿处设置宽度 70 cm 的横梁。支腿横梁除直接承受支腿荷载外，还能增加四片预制箱梁之间的横向刚度，提高箱梁整体受力性能。为研究不同横梁宽度对栈桥结构的影响，选取三种不同宽度的支腿横梁进行对比分析。偏载工况下，四片梁的计算结果如表 3 所示。68 表 3 一期管廊作用下预制箱梁跨中弯矩 表 3 一期管廊作用下预制箱梁跨中弯矩 仅一期管廊/kNm 承载能力组合/kNm 支腿横梁 宽度/cm 1#梁 4#梁 1#梁 4#梁 70 4 569.3 1 558.2 17 215.6 13 045.2 100 4 487.3 1 613.6 17 531.3 13 553.0 150 4 340.0 1 719.4 18 041.6 14 417.5 根据对比分析结果，横梁宽度从 70 cm 增加到150 cm，在仅承受一期管廊荷载时，由于箱梁之间的整体性增强，预制箱梁最大弯矩减少了 5%，与预期一致。但由于横梁增加了自重，导致在考虑了恒载作用后，箱梁最大弯矩增加了 4.8%，横梁尺寸增大对减少单梁弯矩不明显。4 精细化设计精细化设计 随着工程届计算理论、计算机技术的发展与进步，国际工程界提出了精细化设计的理念，并倡导将混凝土结构划分为 B 区和 D 区。B 区指截面应变符合平截面假定的区域；D 区指应力扰动区，截面应变分布不符合平截面假定的区域，一般位于集中力作用点附近或几何尺寸发生突变的部位。4.1 实体模型仿真分析实体模型仿真分析 对于预制箱梁桥，计算一般采用三维梁格模型。本桥荷载大，偏载严重，为验证梁格模型的设计精度，采用实体分析软件 Midas/Fea 建立实体模型，可以得出比三维梁格模型更精确的分析结果。表 4 三维整体模型与实体模型应力结果对比表 表 4 三维整体模型与实体模型应力结果对比表 持久状况正常使用极限状态 持久状况构件应力 正截面拉应力/MPa 计算内容 频遇组合 准永久组合 斜截面主拉应力/MPa 正截面压应力/MPa 主压应力/MPa civil 1.84 2.01-0.51 14.2 14.2 一期管廊荷载 Fea 1.71 1.9-0.54 14.9 14.9 civil 1.73 2.33-0.57 15.48 15.48 一期管廊荷载+预留管廊荷载 Fea 1.65 2.2-0.6 15.89 15.89 根据对比分析结果，三维梁格模型与实体模型虽在单元划分、荷载施加等方面存在一定区别，但应力计算结果相差在 5%以内（扣除应力扰动区），充分说明，采用三维梁格模型，可以满足工程精度要求。4.2 应力扰动区分析应力扰动区分析 对于宽幅预制箱梁，典型应力扰动区是梁端锚固区、支点横梁及直接承受管廊柱脚荷载的横梁。应力扰动区的分析通常采用的方法是实体有限元模型法、拉压杆模型法。实体有限元模型方法是通过弹性应力分析，显示出应力扰动区的应力分布规律，找出拉应力较大的关键位置。拉压杆模型方法是基于连续体内传力路径的简化受力分析方法，以塑性下限定理为理论基础，根据力流线模型给出了计算公式，可直接用于配筋计算，设计操作性强。对管廊栈桥的梁端锚固区、支点横梁及管廊柱脚横梁采用“先模型定性，后定量细化”的思路。采用有限元实体分析软件 Midas/Fea 建立实体模型，得到应力扰动区的应力分布情况，然后对重点关注的位置，采用拉压杆模型进行设计配筋。4.3 横梁分析横梁分析 支点横梁及管廊柱脚横梁实体模型的应力状况如图 4 5 所示。图 4 支点横梁应力结果 图 4 支点横梁应力结果 图 5 柱脚横梁应力结果 图 5 柱脚横梁应力结果 6970 实体有限元模型的应力结果显示，在未考虑钢筋作用的情况下，支点横梁、管廊柱脚横梁处最大拉应力不到 3 MPa，拉应力小，不属于重点关注部位。4.4 梁端锚固区分析梁端锚固区分析 梁端锚固区实体模型的应力状况如图 67 所示。梁端锚固区腹板、底板分别存在约 5.4 MPa、4.8 MPa 的拉应力。这与宽幅预制箱梁加大箱室宽度，采用了较大的预应力钢束后的受力情况相吻合，需要重点关注此区域钢筋细化设计。预应力混凝土的锚固区受到预应力锚固集中力的作用，存在局部承压和应力扩散问题，端部锚固区的范围通常横向取梁端全截面，纵向取 1.0至 1.2 倍的梁高或梁宽的较大值。图 6 梁端锚固区腹板应力结果 图 6 梁端锚固区腹板应力结果 图 7 梁端锚固区顶、底板应力结果 图 7 梁端锚固区顶、底板应力结果 美国 AASHTO LRFD 规范中，将锚固区根据受力特点又划分为局部区和总体区；局部区横向取锚下局部受压面积，纵向取 1.2 倍的锚垫板较长边尺寸；总体区是局部区以外的锚固区部分。局部区和总体区划分如图 8 所示。图 8 局部区和总体区划分 图 8 局部区和总体区划分 局部区是锚下直接承受锚固力的区域，为三向受压构件，对于预制箱梁，采用的是常规规格的预应力钢束，在锚垫板周边混凝土尺寸满足锚具型号所对应的最小尺寸，并按规范配备锚下钢筋网的情况下，局部区均能满足要求。总体区的范围为局部区之外的锚固区部分，主要是预应力扩散引起的拉力，结合定性分析及实体有限元模型应力结果，在端部锚固总体区内存在较大拉力。承受垂直补偿段荷载梁高 1.8 m 的预制箱梁，每个腹板设置五根 11s15.2 的预应力钢束，张拉控制力 2 133 kN。预应力钢束锚头断面布置如图 9 所示。图 9 预应力钢束锚头布置图 图 9 预应力钢束锚头布置图 根据拉压杆模型公式，端部锚固区的抗拉承载力应符合下式规定：dT),(0ssdAf （1）式中：0为结构重要性系数；T(.),d为端部锚固区各部位的拉力设计值，包含锚下劈裂力Tb,d、剥裂力Ts,d；fsd为普通钢筋抗拉强度设计值；As为拉杆中的普通钢筋面积。锚头之间的距离为 33.5 cm，属于相邻小于 2倍锚垫板宽度的密集锚头，锚下劈裂力设计值为五个锚头锚固力的合力值。单个锚头引起的锚下劈裂力设计值为：sin5.0)1()1(25.02,dddbPhaPT（2）式中：Pd 为预应力锚固力设计值，取1.2倍张拉控制力；a为锚垫板宽度；=2e/h；为锚固力在截面上的偏心率；e为锚固力偏心距；h为锚固端截面高度；为预应力筋倾角。锚垫板局部压陷引起的周边剥裂力Ts,d为：Ts,d=0.02 maxPdi （3）式中：Pdi为同一端面上，第i个锚固力的设计值。底板宽度 2.15 m，两预应力钢束中心间距 71 1.5 m，形成了大间距锚头，剥裂力Ts,d为：1204.0,hsPTdds （4）式中：dP为锚固力设计值的平均值；s 为两组锚固力的中心距；h此处为底面宽度。根据公式（2）（3）（4），计算得到端部锚固区各部位拉力设计值为：表 5 端部锚固区拉力设计值 表 5 端部锚固区拉力设计值 拉力设计值/kN 受拉部位 腹板 底板 锚下劈裂力Tb,d 2 760.0 410.9 周边剥裂力Ts,d 51.2 51.2 大间距锚头剥裂力Ts,d/455.4 将拉力值代入公式（1），即可得到锚固区需要配置的钢筋面积，劈裂力由总体区的闭合式箍筋来承担，剥裂力由梁端表层的抗裂钢筋承担。由于宽幅预制箱梁的箱室宽度较宽，为满足纵向承载要求，采用了较多的预应力钢束，造成腹板的锚下劈裂力、底板大间距锚头剥裂力较大，设计时应重点关注。表 6 端部锚固区计算配筋表表 6 端部锚固区计算配筋表 计算需要 钢筋面积/mm2 需要钢筋根数 受拉部位 腹板 底板 腹板 底板锚下劈裂力 9 199.9 1 369.7 46C16 7C16周边剥裂力 170.6 170.6 1C16 1C16大间距锚头剥裂力/1 518.0 /3C255 结结 语语 宽幅预制箱梁具有结构刚度大、整体性强、承载能力大、梁片数少、施工工期短，是一种比较适合重载、大偏心、规模大的管廊栈桥。本项目箱梁应力扰动区多，基于“先模型定性，后定量细化”的设计思路，先筛选出拉应力较大部位，然后采用拉压杆模型进行设计配筋。本文通过大量对比分析，得出如下结论：1）横梁尺寸对单梁弯矩的影响不大；2）整体梁格模型计算精度可以满足工程要求，无需实体模型计算；3）设计阶段应重视应力扰动区的精细化设计，以免局部配筋不足。参考文献参考文献:1 American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications（8th Edition）S.2017.2 中华人民共和国交通运输部.JTG 3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S.北京:人民交岀通版社,2018.3 贡金鑫,魏巍巍,赵尚传.现代混凝土结构基本理论及应用M.北京:中国建筑工业出版社.2009.4 张树仁.公路桥梁钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计原理M.北京:人民交通出版社.2004.5 徐栋,赵瑜,刘超.混凝土桥梁结构实用精细化分析与配筋设计M.北京:人民交通出版社.2013.6 贺志启,刘钊.后张预应力桥梁中间锚固区的拉压杆模型方法J.工程力学.2013,(1):232-235.7 郑和晖.混凝土箱梁桥典型 D 区拉压杆模型及配筋设计方法研究D.东南大学硕士学位论文.2010.8 郑建超.混凝土桥梁预应力锚固区的力流模型及抗裂设计方法研究D.东南大学硕士学位论文.2017.