摘要:體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的日趨成熟和新型建筑材料的發(fā)展,許多的工程師都在對大跨徑橋梁的主梁輕型化問題,F(xiàn)如今,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁在日本和歐美了應(yīng)用,其特點在于它了混凝土和鋼的材料特點。波形鋼腹板PC組合箱梁是新型的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu),它鋼與混凝土的優(yōu)點,了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強度及材料的使用,并且結(jié)構(gòu)外形美觀,抗震性能好。本文論述了波形鋼腹板PC組合箱梁設(shè)計施工方法,為今后波形鋼腹板PC組合箱梁橋的設(shè)計和施工了寶貴的經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞:波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計
0 引言
在上世紀八十年代,法國設(shè)計并建造了以波形鋼腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型組合結(jié)構(gòu)橋梁-Cognac橋,其后又相繼建造了Maupre高架橋、Asterix橋和Dole等數(shù)座波形鋼腹板的組合結(jié)構(gòu)橋梁,該箱梁的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。自上世紀九十年代起,日本也對該類的橋梁了,在參考法國同類橋梁的基礎(chǔ)上,修建了新開橋、本谷橋、松木七號橋等一系列橋梁,有連續(xù)梁橋,也有連續(xù)剛構(gòu)橋,了其使用范圍,發(fā)展了設(shè)計和施工技術(shù)。
波形鋼板即折疊的鋼板,較高的剪切屈曲強度,用它混凝土箱梁的腹板,不但了腹板的力學(xué)性能要求,而且大幅度減輕了主梁自重,縮減了包括基礎(chǔ)在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)所承受的上部恒載,還省去了施工時在腹板中鋼筋、設(shè)置模板等繁雜的工作。此外,波形鋼板縱向伸縮自由的特點使得其幾乎不抵抗軸向力,能更地對混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力,了預(yù)應(yīng)力。組合結(jié)構(gòu)能工程量、縮短工期、降低成本,在施工性能和經(jīng)濟性能都的吸引力。
1 設(shè)計方法
當橋梁上部采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的結(jié)構(gòu)時,和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣,其設(shè)計需要施工和使用階段的不同要求。施工階段的計算要的施工,比如,連續(xù)梁橋可以采用懸臂施工、頂推法施工或的方法,主要的計算荷載有自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土不同齡期的收縮徐變、施工荷載等。使用階段則要考慮汽車荷載、風荷載、溫度荷載等。箱梁內(nèi)通常設(shè)置體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力,由混凝土頂板和底板內(nèi)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力抵抗施工荷載和恒載,箱內(nèi)的體外預(yù)應(yīng)力用來抵抗活載?紤]的原因,是更換體外預(yù)應(yīng)力鋼束時結(jié)構(gòu)的受力要求。
1.1 縱向抗彎計算
波形鋼腹板在軸向力的作用下,軸向變形,的等效彈性模量很小。波形鋼板在縱向的等效彈性模量和板厚、波紋形狀,可由下式計算
Ex=αE(t/h)2
式中,Ex為等效軸向彈性模量;
E為鋼材的彈性模量;
t為鋼板厚度;
α為波紋的形狀系數(shù)。
此式,日本新開橋Ex=E/617。已的模型實驗和有限元計算的結(jié)果,證實波形鋼腹板在受彎時縱向正應(yīng)力、正應(yīng)變很小,可以忽略,即在截面抗彎設(shè)計時,只考慮混凝土頂板和底板的作用,并近似的混凝土頂板和底板內(nèi)的縱向正應(yīng)變符合線性分布規(guī)律,仍然平截面假定計算應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力鋼束。
1.2 抗扭計算
箱梁在偏心荷載作用下,截面將扭轉(zhuǎn)變形。在混凝土腹板箱梁中,扭轉(zhuǎn)的并不大,但在波形鋼腹板箱梁中,腹板的彎曲剛度和混凝土頂板、底板相比小得多,這對截面扭轉(zhuǎn)變形的增大,會在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力。到為止,關(guān)于波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)剛度的計算還的結(jié)論。對建成的該類橋梁的技術(shù)總結(jié)和,日本工程師上平等人了計算其抗扭剛度的方法。
1.3 波形鋼腹板的應(yīng)力計算
波形鋼腹板主要承受剪應(yīng)力。在設(shè)計中可以偏保守地假定結(jié)構(gòu)所剪應(yīng)力都由波形鋼腹板承受,忽略混凝土頂板和底板對剪應(yīng)力的抵抗作用,從而計算出波形鋼腹板所需的最小厚度。
波形鋼腹板承受上述剪應(yīng)力,也承受橫向彎曲所引起的彎曲應(yīng)力,對波形鋼腹板的合成應(yīng)力驗算。
1.4 波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性計算
波形鋼腹板的屈曲破壞主要有三種模式。
1.4.1 局部屈曲模式
波形鋼腹板的某波段屈曲破壞的。
1.4.2 整體屈曲模式
波形鋼腹板整體屈曲破壞的。
1.4.3 合成屈曲模式
波形鋼腹板局部屈曲破壞和整體屈曲破壞的,是局部屈曲和整體屈曲中間的屈曲模式。
1.5 波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接
模型實驗表明,在加載后期,除了底板橫向開裂外,波形鋼腹板與底板交界處沿縱向開裂,裂縫的發(fā)展,結(jié)構(gòu)剛度迅速降低,破壞,破壞特征為腹板和底板的連接部碎裂。波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載力,是設(shè)計此類橋梁中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。
連接部的設(shè)計,通常的做法是在波形鋼腹板的上下端焊接鋼制翼緣板,翼緣板上焊接剪力釘,使之與混凝土板在一起。還可以采用在鋼腹板上鉆孔,穿過鋼筋,再在鋼板的上下端部焊接縱向約束鋼筋后埋入混凝土板的做法;A(chǔ)上,還可衍生出的連接方法。
2 實例列舉
自1993年起,日本從法國引進了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)的技術(shù),,日本鼓勵設(shè)計人員在主要高速公路中采用結(jié)構(gòu)。
正在建設(shè)中的中野高架橋是日本關(guān)西地區(qū)阪神高速公路段的一,為采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的四跨連續(xù)梁橋。全橋的立面見圖5。主梁為單箱單室的變箱梁,設(shè)置了體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系。支點梁高4.0~4.6m,跨中梁高2.0~2.2m,梁高二次拋物線。波形鋼腹板采用抗拉強度490Mpa、抗剪強度205Mpa的耐腐蝕鋼板,波長1.2m,波高200mm,鋼板厚度9~19mm。主梁的橫向抗變形能力,除在支點和體外預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向處設(shè)置橫隔板,還在縱向的不同位置加設(shè)了橫隔板。
該橋的上部結(jié)構(gòu)采用懸臂澆筑法施工,墩頂?shù)?號節(jié)段長12m,在墩架上現(xiàn)澆。其余節(jié)段分別長3.6m和4.8m,均在掛籃上懸臂澆筑混凝土及拼裝鋼腹板。
鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計和建造在國內(nèi)起步晚,是本文介紹的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋在國內(nèi)尚無實橋。與此,法國、德國,是日本相繼建設(shè)了數(shù)座此種類型的橋梁,設(shè)計和施工技術(shù)成熟。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁,適合于中、大跨徑的連續(xù)梁橋。國內(nèi)對結(jié)構(gòu)的分析工作的,波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋?qū)谖覈臉蛄航ㄔO(shè)中應(yīng)用。
參考文獻:
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