【《单跨工字钢组合梁整体桥合理跨径分析综述》2400字】

单跨工字钢组合梁整体桥合理跨径分析综述整体桥与传统有缝桥在温度作用下纵向变形有很大区别，有缝桥桥台位置预留伸缩缝，温度作用下结构纵向可以自由伸缩变形，而单跨整体桥主梁在纵向上受到桥台与台后填土约束，属于细长结构，假定截面的温度场为均匀温度场，结构因温度变化发生的伸缩变形受到约束，将在梁体内产生附加纵向力。钢混组合梁中钢材和混凝土材料线膨胀系数不同，纵桥向伸缩缝变形将大于钢筋混凝土桥梁。因此，钢混组合梁整体桥的纵向变形更值得重视，变形量太大容易引起结构失效，桥梁纵向变形量和组合梁受力情况共同限制着组合梁整体桥的跨径。美国对于无缝桥跨径与总长的限制主要考虑主梁材料和结构形式，如表3-21所示，对于应用钢筋混凝土梁的整体桥跨径限制在18.3~61.0m之间，总长在45.8~358.4m之间，对于应用钢梁的整体桥跨径限制在19.8~91.6m之间，总长在45.8~198.3m之间。表3-21美国采用的三种形式无缝桥跨径与总长设计准则结构限制结构形式钢筋混凝土梁钢梁跨径（m）整体桥18.3~61.019.8~91.6半整体桥27.5~61.019.8~61.0延伸桥面板桥27.5~61.024.4~61.0总长（m）整体桥45.8~358.445.8~198.3半整体桥27.5~1000.027.5~152.5延伸桥面板桥61.0~228.861.0~137.3一般情况下，温度作用下桥梁纵向变形主要考虑以下参数：主梁的弹性模量E，主梁换算截面面积A，桥梁计算跨径L和各跨跨长Li，台后土压力大小，若是多跨桥梁则要考虑第i个墩顶刚度Ki。对于采用混凝土桩基的工字钢组合梁整体桥，混凝土桥面板被刚性连接到桥台和桥墩上，上部结构与混凝土桩基础协同受力变形，而桥台直接与路堤相连，横桥向与纵桥向荷载将由桥台直接传递至路堤，桥台设计对整体桥的纵向变形量有很大的影响。图3-25单跨整体桥桥台处水平受力图对于单跨工字钢组合梁整体桥，在温度升高和降低作用下，沿着主梁纵向将分别发生膨胀和收缩，跨中为变形零点。如图3-25所示，取半跨整体桥并绘出水平力平衡下的受力情况，图中，N1为温度作用下梁体内产生的附加纵桥向水平力，假定设计为等截面梁，因此可以根据材料力学得到半跨变形协调方程如下式：（3-28）式中，L为桥梁跨径，为便于计算，需将钢混组合梁截面等效换算为钢截面，计算方法详见附录A1节，Es为钢材的弹性模量，A0为换算主梁截面面积，α采用钢材线膨胀系数，∆Li为单跨组合梁桥单侧桥台顶部变形量。又由水平力平衡条件可以得到下式：（3-29）其中，np=2为桩基的数量，Vp为桩所能承受的最大剪力，可由桩顶处达到最大的塑性弯矩Mp和等代桩长lc求得，如下式：（3-30）温度作用下的不同土质条件，假设台后土压力Pb分布规律沿桥台高度方向相同，桥台入土深度增大，Pb接近按线性增长，在桥台底部产生最大压力，因为桩土端约束作用阻止了台后土对桥台的充分顶推，并且桥台入土深度越深这种效应愈为明显，因此土压力有减小的现象，这一结果也与有限元模型计算结果相符合。如图3-26所示，设计时可以对这种现象进行保守考虑，用三角形分布的土压力即式（3-31）计算得到Pb。（3-31）式中，Ks为台后土压力系数，以整体升温情况为例，主要考虑静止土压力系数K0和被动土压力系数Kp，根据《通规》和《地规》相关规定，其值由土体内摩擦角φ计算得到；为台后土的重度；Hb为桥台高度；wb为桥台横向宽度。因此，升温情况下回填压力可写为下式：（3-32）联立式（3-28）~（3-32）可以得到单跨组合梁整体桥在升温作用下半跨的纵桥向变形量式（3-33）：（3-33）图3-26不同土质条件下沿桥台高度的土压力分布情况为验证有限元模型温度下纵向变形结果与理论计算的吻合情况，取中等密实砂土为填土，m值设为12000kN/m4，取39℃作为整体升温条件，将模型计算和公式计算的结果进行对比，如表3-22所示。可以看出，在整体升温工况下，纵桥向变形理论计算值与有限元模型计算结果吻合良好，误差不超过6%，桥台顶部最大变形量为模型计算的10.5mm，且跨径越大，主梁尺寸越大，伸缩量也越大。参考《无缝桥规》第1.4.6条规定的整体桥纵向变形限值，“有设枕梁时不超过2.54cm，无枕梁时不超过1.2cm”，考虑混凝土收缩作用会部分抵消变形量、汽车制动对纵向变形影响较小等情况，本文将桥台顶部最大变形量取2.54cm为限值。表3-22整体升温作用下模型和公式计算变形量对比跨径（m）有限元模型计算值（cm）理论公式计算值（cm）差值百分比200.480.455.8%300.690.664.3%400.890.881.1%501.051.031.9%一般情况下，台后土和温度变化达不到极限条件，《通规》对不同地区按温度大致分为：严寒地区、寒冷地区、温热地区三种情况，因此，设定整体升温10℃、20℃、30℃三种情况，以及松散、中等密实、密实三种不同密实程度的砂性台后填土，台后土m值分别取为8000kN/m4、15000kN/m4和23000kN/m4。计算得到50m单跨组合梁整体桥在不同温度条件和不同台后填土下的主梁纵向变形，结果如图3-27所示。其中主梁端部即为台顶最大变形，可以看出，主梁各位置纵向变形量呈线性变化，温度变化越大，变形量越大，且温度越高，台后土密实度对变形量的影响程度越大。各条件下台顶纵向变形最大值如表3-23所示。可以看出，越疏松的土质台顶变形量越大，该条件下最大值达到8.46mm，满足最大限制的要求。图3-27不同土质和温度下50m整体桥主梁纵向变形变化表3-23单跨50m组合梁整体桥在不同条件下桥台顶部纵向变形不同土层m值（kN/m4）升温10℃（mm）升温20℃（mm）升温30℃（mm）松散土80002.785.568.46中等密实土150002.675.338.24密实土230002.535.067.59对于单跨组合梁整体桥的跨径设置，主要考虑同时满足以下三种条件的影响：（1）温度变化下桥台顶部纵向变形，《无缝桥规》要求不超过2.54cm；（2）考虑长期工作状态下的疲劳影响，钢梁应力不应超过200MPa；（3）负弯矩区混凝土裂缝宽度在限制值以内，《混规》要求不超过0.2mm。采用弹性理论设计的单跨工字钢组合梁整体桥，由于单跨桥长是影响纵向变形的主要因素，整体升温30℃情况下，桥台顶部纵向变形满足条件（1），通过控制截面尺寸，根据验算结果，各跨径均满足条件（2）。桥台负弯矩区混凝土裂缝计算结果