简支钢箱-混凝土叠合梁结构设计研究.doc

简支钢箱-混凝土叠合梁结构设计研究2011年7月第7期城市道桥与防洪桥梁结构99简支钢箱一混凝土叠合梁结构设计研究张锦辉(上海现代建筑设计集团市政工程设计院,上海市200041)摘要:以云南省玉溪市玉龙桥为背景,结合简支钢箱一混凝土叠合梁的受力特性,对简支钢箱一混凝土叠合梁的结构进行分析研究,对主粱应力以及剪力钉的承载能力进行了计算分析,有关经验可供类似工程参考.关键词:钢箱一混凝土叠合粱;受力特性;剪力键中图分类号:U448.213文献标识码:B文章编号:10097716(2011)070099020前言简支钢箱一混凝土叠合梁是现浇钢筋混凝土桥面板通过剪力键与预制钢箱梁组合而成的简支梁.这种结构的特点是是结构高度小,重量相对较轻,可以充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能.叠合梁根据施工方法和受力特性不同分为“一次受力叠合结构”和”二次受力叠合结构”两者的主要区别是钢结构在施工阶段是否承受施工阶段荷载.如果采用”一次受力叠合结构”,在施工现浇混凝土桥面板时在箱梁底设置合适的预拱度和支架可显着降低成桥挠度,改善钢筋混凝土桥面板和钢结构梁的应力分布情况.”二次受力叠合结构”叠合梁的主要特点是预制钢结构可以作为现浇桥面板的施工支架,施工条件受到限制的时候使用较多.本工程采用的简支钢箱一混凝土叠合梁是”一次受力叠合结构”.1工程概况云南省玉溪市玉龙桥是康井路跨玉溪大河的重要节点桥梁,桥面为双向6车道,桥宽44.6m,桥长66.56m,道路等级为城市主干道II级.本桥为部分悬索桥,主梁采用一跨50m钢箱一混凝土叠合梁,梁高2.1m,基础采用钻孔灌注桩基础.钢箱叠合梁的钢结构部分采用全焊接钢箱梁,钢箱梁由底板,腹板,横隔板及加劲肋组成,腹板上翼缘板顶面设置剪力键与混凝土桥面板连为整体.钢梁的底板,腹板厚度根据受力大小不同在纵向上有变化.钢筋混凝土桥面板为现场浇筑,混凝土板厚为0.20m.桥面板上面设置0.1cin厚防水层,然后铺设10cm厚的沥青混凝土铺装.剪力键的作用是传递桥面板与钢梁之间的剪力,是混凝土桥面收稿日期:2011-0317作者简介:张锦辉(1978一),男,湖北人,工程师,从事桥梁设计工作.板,钢箱梁联合受力的关键.本桥设计剪力键采用中22170圆柱头焊钉.桥梁横断面布置见图1.行道非机动车道行车道中央分隔带行车道非机动车道人行40O4003501055靼10553504004O0图1桥梁横断面布置图(单位:cm)2主要设计荷载(1)永久荷载一期恒载:钢筋混凝土26kN/ms;钢结构-78.5kN/m.二期恒载:沥青混凝土100mm,=24kN/m;人行道板,栏杆,基座按实际考虑.(2)可变荷载汽车:公路一I级;人群:按规范取值.(3)混凝土徐变及收缩的影响混凝土徐变系数按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范附录四取用.(4)温度影响桥面板局部升降温:15cC.3有限元模型本桥采用有限元程序MidasCivil2010建立空间模型,计算模型见图2.图2计算模型100桥梁结构城市道桥与防洪2011年7月第7期叠合梁结构钢筋混凝土桥面板混凝土采用C50,钢筋采用HRB335,钢结构采用Q345qD桥梁专用钢.为了真实模拟叠合梁的施工过程,主梁计算时,建立了空间有限元模型,钢箱梁纵向11道腹板模拟为11道纵梁,横向11道横隔板模拟为11道横梁.采用MidasCivil提供的施工阶段联合截面模拟叠合梁的叠合施工.4结构计算主要内容4.1主梁内力及强度计算叠合梁施工时,分块预制钢箱梁现场焊接成型,钢梁下面采用满堂支架现场浇筑钢筋混凝土桥面板,一次受力叠合.使用阶段最不利组合下混凝土桥面板和钢结构上下缘的应力见图3图6.跨中最不利位置应力见表1.图3最不利组合钢结构上缘应力图图4最不利组合钢结构上缘应力图图5最不利组合混凝土结构上缘应力图图6最不利组合混凝土结构上缘应力图表1跨中最不利位置应力(单位:MPa)计算结果表明,结构各部位应力满足规范要求.4.2剪力钉内力及强度计算为了避免钢筋混凝土桥面板和钢梁之间发生相对错动,使得钢筋混凝土桥面板和钢结构梁共同工作,需在两者之间设计可靠的连接构件剪力键,剪力键连接件分为刚性,柔性和焊钉三种形式.焊钉的焊接技术成熟,施工简单,受力可靠,并且混凝土的应力集中较小,在我国较为常用.在叠合梁连接处产生剪力的荷载主要有恒载,活载,预应力,混凝土收缩徐变,混凝土桥面板与钢结构之间的温差等.恒载与活载作用下,由于剪力Q产生的钢筋混凝土桥面板与钢梁间的单位长度的剪力T0可以由下式计算:%=SoQ/nI.(式中Q为作用在组合梁的剪力;So为参与共同工作的混凝土桥面板对组合梁形心的面积矩;I.为组合梁换算的钢截面的换算截面惯性矩;n钢梁弹性模量与混凝土弹性模量之比).T0=SQ/n10,其中So=Ot.XAe=0.4931TI,Q恒+活=1780kN,Io=0.328111,TQ=818kN.预应力,混凝土干燥收缩,混凝土桥面板与钢结构之间的温差产生的剪力主要集中在梁端部,假设由于上述效应产生的现浇混凝土桥面板形心处的应力为盯.,混凝土桥面板截面面积为,梁端单位长度的最大剪力可以由下式计算:L阻=2盯A/l(1为梁的计算跨径/10或者主梁间距).Tm=2A/l,其中e=1.94MPa,=1.12m22170,25170的焊钉,按钢结构设计规范(GB500172003)公式计算极限承载力:【M=0.43A,缸0.7A?,其中4)22焊钉E=3.45E4MPa,A=380mm,f=22.4MPa,=1.67f:215MPao0.43A.,=0.43380X,而=143kNO.7A.f=0.7X380215X1.67=95kN22X170N=95kN;25170N=123kN考虑安全系数2.0,22170剪力键容许承载力为47.5kN,25170剪力键容许承载力为61.5kN.根据计算所得的剪力小,剪力钉在梁端3nl范围内布置为0.125mx0.15m,310m范围布置为0.125inx0.2in,10in跨中范围布置为0.1251TI0.4In.(下转第120页)120桥梁结构城市道桥与防洪2011年7月第7期大加速度应当折减,折减幅度从0(等于4Hz)到7O%(等于5Hz)线性变化.根据上述简化计算方法,该工程主梁竖向最大加速度为:0.936m/s大于0.殇0.87m/s2.因此,不满足英国规范关于振动舒适度的相关要求.2天桥减振加固设计及计算2.1桥梁减振加固设计根据以上分析,天桥减振设计可从以下方面考虑:(1)增大桥梁竖向自振频率,避免落人人体激振覆盖的范围内,产生共振;(2)减小桥梁振动的竖向最大加速度,使主梁振动舒适度在人体能接受的范围内.因此,可以通过增加主梁截面刚度达到减振加固的目的.该工程采用桥面顶板增设剪力键再加铺8cmC40混凝土,形成钢一混组合截面增大主梁截面刚度,达到增大桥梁竖向自振频率和减小竖向振动最大加速度的目的.2.2桥梁加固后振动分析根据钢材和混凝土弹性模量之比,将加铺的C40混凝土换算为等效的钢截面.把等效截面的特性带人式(1)计算桥梁竖向自振频率为:3.25Hz,较加固前自振频率增加了7%左右.把等效截面的特性带人式(2)计算竖向最大加速度为:0.842m/s小于0.5L=O.901m/s,满足英国规范关于振动舒适度的相关要求.2.3桥梁减振加固效果加固完成后检测单位再次对该桥进行了自振特性测试.测试结果表明结构的自振频率增大至3.30Hz;当行人正常通行时,行人无明显振感;当行人跑步通过时,桥上其他行人有明显振感,并有不舒适感.从上述测试结果可知:桥梁减振加固取得了一定的效果,但并未彻底解决该桥的振动问题.桥面加铺混凝土进行减振加固时,混凝土加铺层厚度增加,能增大截面的刚度以达到提高主梁的竖向自振频率同时减小桥梁振动的竖向最大加速度目的.但根据变形和应力分配情况,桥梁自重,桥面施工荷载,以及混凝土自重仅由钢结构主梁承担,混凝土加铺层不参与共同工作;活载作用时,混凝土加铺层参与主梁受力.同时增加的混凝土自重,必将传递至支座和下部结构.因此,桥面加铺层厚度应在保证桥梁原结构安全的前提下,综合考虑桥梁结构安全和减振效果两方面因素后确定.通过桥梁上下部结构承载能力计算分析和减振计算分析,该工程最终加铺层厚度采用8cm混凝土.在保证桥梁结构安全的前提下,达到了一定的减振加固效果.3小结近年来随着大跨度人行天桥的逐渐增多,如何对其进行恰当的人致振动使用性评价已成为亟待解决的问题.人行天桥人致振动理论的研究,就是希望建立适当的动力学模型,较准确地估计结构的最大响应,甚至对人行天桥人致振动过程进行仿真分析.目前,对该理论的研究已经取得了一些成果,但也存在很多不足之处,如各研究成果间有较大差别;现有研究的模型存在较多的简化和假设,与实际的规律存在较大的差异等.英国桥梁规范BS5400是最早提出人行天桥振动使用性问题的国家规范之一,许多国家的规范都是以此为基础制定的.其针对简单结构体系提供的简化计算是最为简单的运用动力响应分析方法验算人行天桥的振动使用性的方法.城市人行天桥与人行地道技术规范(CJJ6995)是我国人行天桥设计时的主要依据规范,其中采用频率调整法考虑了人行天桥的人致竖向振动,但其竖向自振频率大于3Hz的规定未考虑步行荷载的频率特点,难于反映行人的舒适度要求,尤其对于竖向自振频率在3Hz附近时,应增加验算行人舒适度指标,采用自振频率和舒适度两个指标控制设计.参考文献1Cjj6995,城市人行天桥与人行地道技术规范J】.【2BritishStandardsInstitution(BSI)(1978).”Steel,concreteandcompositebridgesSpecificationforloads”BS5400,London.【3李国豪.桥梁结构稳定与振动MI.北京:中国铁道出版社,19