一、工程概况
布龙路作为《深圳市干线道路网规划》中东西向重要的干线性主干路,属于省道S360核龙线的组成部分 。梅龙立交跨线桥分左右两幅,单幅桥梁全长726m,共分七联,单幅桥宽13.75m。第二联跨现状梅龙路,由于梅龙路交通流量较大,施工时不可能支满堂脚手架,因而不能采用现浇混凝土梁;大型起重设备及机械进场难度很大,也不可能采用装配式预制混凝土结构;而叠合结构则克服了以上两者的缺点。经过多次的专家论证及方案优选,最终确定采用钢-砼叠合连续梁,下部结构采用景观较好的“H”形片墩。
二、结构设计
布龙路梅龙立交跨梅龙路采用钢-砼叠合连续箱梁,右幅跨径为30+45+25.6m,单幅桥宽13.75m,采用两等截面钢箱梁组成,钢箱中心梁高1.4m,混凝土现浇板梁根部0.4m,悬臂端0.2m。叠合梁中心总梁高为1.8m,高跨比为1.8/45=1/25,边跨比为30/45=0.67、25.6/45=0.57, 比例比较协调,使得预应力混凝土与钢箱叠合连续梁的受力状态较好。现浇混凝土板内张拉预应力钢束抵抗主梁受拉区效应,提高混凝土土板的抗裂性,现浇混凝土板采用预制砼板支模,厚7cm。
钢箱梁分段处宜布置在受力较小处。每个钢箱梁沿纵桥向共分为A~E五个制作段。制作段最大长度约为24m,吊装重量约为47吨,各制作段之间用高强螺栓双面栓接。
钢箱上翼缘板宽600mm, 厚25mm;在其上布置剪力钉,横桥向间距100mm,每排5个,顺桥向间距为150mm。在翼缘板上现浇预应力钢筋混凝土,通过剪力钉使钢箱梁和混凝土形成叠合梁。混凝土等级为C50,钢材采用Q345qc,纵桥向张拉11Фs15.2高强低松弛钢铰线。
四、结构计算 (一)横向分配系数
在纵向按平面杆系来分析主梁,这就要考虑活载的横向分配。大跨径时,宽跨比小,使用偏心受压法计算荷载横向分配系数,比较简单。偏心受压法计算荷
载横向分配系数不考虑扭转刚度的影响,算出的系数值较大,一片梁的横向分配系数为2.55。
对于扭转刚度比较大的箱形梁来说是不合适的。影响桥梁荷载横向分配系数的因素,除了宽跨比之外,主要的是构件的抗弯刚度和抗扭刚度。因此,当把某一超静定变截面梁比拟为相同跨径的等刚度的常截面简支梁来计算时,应使二者不仅具有相等的抗挠刚度,同时还应具有相等的抗扭刚度,即等代刚度法。这样才能使所算得的荷载横向分配系数更符合实际。本桥为三跨连梁,对边、中跨的跨径与刚度不相等的梁要按不同的跨径进行等代。算出一片梁的横向分配系数为2.25,跨中的横向分配系数略小些,边跨跨中为1.85, 中跨跨中为1.92。
(二).箱形梁翼缘的有效宽度
在初等梁理论里,当矩形截面梁受弯时,认为距离中性轴y的任一层纤维层中的法向应力都相等,其大小随离中性轴的距离y而改变。对于翼缘不太宽的T形梁,在工程中为了简化计算,沿用初等梁理论,按下式计算某截面的法向应力初
式中 M-该截面的计算弯矩; I- 该截面的抗弯惯性矩。
然而,对于翼缘较宽的T形梁来说,经理论分析和实验证明, 截面上法向应力沿宽度方向也是不均匀分布的,在梁肋顶部最大(峰值),而在自由边缘最小。这种现象在工程界通称之为“剪力滞效应”。
采用精确的理论来分析翼缘应力的不均匀分布规律,无疑是比较复杂的,不便于设计使用。为了既能利用式(1)来计算法向应力又能得到接近于翼缘的实际应力峰值。这就是提出“翼缘有效宽度”的由来。在[2]中第1.5.16条对T形梁的翼缘有效宽度的取用做了明确的规定。
(三).剪力钉的计算
抗剪联接件的设计必须是能把板固定在梁翼缘上,使两种材料不能分离。它按两种荷载准则设计:疲劳和极限强度。本桥只在跨中十几米范围内由疲劳即活载加冲击引起的剪力控制,其余均由最大剪力值控制。抗剪联接件的极限抗剪强度等于或大于混凝土板的极限抗压强度或钢梁的极限抗拉强度,二者中取较小者。在设计中还进行了下列计算:
⑵ 考虑钢梁与混凝土板梁之间温差、混凝土收缩、徐变引起的水平剪力。这样求得的水平剪力可假定为由梁每端的剪力钉从混凝土板传给钢梁。对粘结作用应忽略不计。剪力钉所受的力在梁端为2Q/Ls,在离梁端为Ls处为零,按直线递减。
⑶ 考虑施加预应力钢束引起的水平剪力。混凝土板内的预应力加大了混凝土板与钢梁间的水平剪力。钢束张拉端混凝土承受N1=y,在钢束的L/2(L为钢束长度)处承受N2=hh, 剪力钉所承受的力N= N1- N2分布在长Ls等于钢束长度的l/2。
(四).温差及不均匀沉降的考虑
由于本桥为超静定结构,气温的变化会引起内力的变化,深圳地区的温差按35度考虑。当气温突然变化时,钢梁因传热系数大,吸收了四周的热量很快地升温;而钢筋混凝土板对气温的传热系数小,对气温变化的反映较慢。因此筋混凝土比钢材滞后按10度计算。
钢筋混凝土板因收缩而发生的变形相当于混凝土温度降低15度。考虑混凝土徐变的影响,求叠合梁的内力可近似地引入“有效弹性模量”E1=αE。在计算混凝土收缩影响所产生的应力时α=0.5。
(五).高强螺栓的设计
由于此桥距地面约8m,桥下交通繁忙,组装时如果采用焊接,对保证质量、焊后整形和施工组织的安排都有一定的困难,而采用高强螺栓连接,这些问题就易于解决。它是靠钢板间的摩擦传力,应力集中较小,抗疲劳强度较高。在设计中采用ML15-24高强螺栓,性能等级为10.9S,双面连接;连接钢板摩擦面喷钢丸后,涂以无机富锌漆μ=0.4。每个高强螺栓的容许承载力为105.9kN,对于主要受力构件按等强度设计;并按[2]中表1.3.16的要求布置。在可能的情况下,间距宜比规范规定的最小距离大一些,以便于拧紧高强螺栓。
五、结论
在施工现场交通量较大的市区道路上采用钢箱叠合梁是可行的。裸箱在吊装中减少了重量,而后在裸箱上浇筑混凝土桥面板,并在板内施加预应力钢铰线改善了桥面板负弯矩区的受力状态;钢筋混凝土板通过剪力钉与钢箱梁组合在一起形成叠合梁,可以充分发挥钢材抗拉性能好,钢筋混凝土板抗压性能好的优点;这种结构不仅增加了梁的刚度,而且行车舒适噪音小,节约钢材,重量比同跨径
的钢筋混凝土连续梁要小,从而它可以降低结构的高度,减少立交桥面积,降低造价,经济美观;此桥已于2010年下半年竣工,有效改善了原布龙路交通状况,亮化周边环境。
参考文献
[1] JTJD 62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S] [2] JTJ025-86,公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S]
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