钢板组合梁桥墩扩大头优化设计及计算分析
2021-03-05胡清和
武 林， 胡清和
(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)
0 引 言
皖南某山区高速目前已推广应用钢板组合梁桥,全线共31座钢板组合梁桥,总长度12.12 km[3]。由于本项目地处山区,架设钢板梁工字钢及预制桥面板均采用架桥机,因此合理地设计钢板组合梁桥墩显得尤为重要。
1 施工图阶段钢板组合梁桥墩结构
施工图设计中,钢板梁下部桥墩结构如图1所示,其中墩顶扩大头宽度a为110 cm(35 m跨径钢板组合梁)。
图1 下部桥墩立面图(施工图阶段)
2 桥墩结构优化的原因
本项目钢板组合梁架桥机为GYLQ180t-40型,该架桥机两支腿中心点间宽度为920 cm[4]。由图1可知,桥墩墩顶宽度为890 cm,无法满足架桥机架设要求。
3 桥墩结构的优化
为保证架桥机放置,需对墩顶扩大头进行加宽，可在桥墩墩顶设置牛腿,优化后的桥墩结构，如图2所示。
图2 下部桥墩立面图(优化后)
4 牛腿模型计算
根据《混凝土结构设计规范》[5]规定,对于a不大于h0的柱牛腿(图3),截面尺寸应符合下列几点要求:
图3 牛腿尺寸参数图
4.1 牛腿裂缝控制要求
本项目采用的GYLQ180t-40型钢板组合梁架桥机,其前支腿支点处最大反力为800 kN,无水平拉力值。为考虑受力最不利影响,取Fvk=800 kN,Fhk=0 kN,a=1.6 m。
根据计算,扩大头需配置12根直径为28 mm的HRB钢筋才能满足抗裂要求,实际按照14根直径28 mm HRB进行配筋。
4.2 牛腿顶面局部压应力计算
在牛腿顶面的受压面上,由竖向力标准值Fvk=800 kN引起的局部压应力不应超过0.75fc。前支腿受压面为0.3 m×0.3 m。即:
σc=Fvk/Ac=800/(0.3×0.3)=8.89 MPa<0.75fc
所以,牛腿顶面受压面局部压应力满足要求。
4.3 纵向受力钢筋计算
Fv=ηFvk=1.4×800=1 120 kN,Fh=0 kN。即:
=4 889.2 mm2≤142×π×16=9 847.0 mm2
所以,纵向受力钢筋面积符合规范要求[6-9]。
5 有限元仿真分析验算
5.1 模型建立
为更好地了解牛腿受力情况,采用MIDAS Fea有限元仿真分析软件建立有限元模型,具体模型如图4所示。该实体模型共52 682个节点,68 408个单元(其中以主梁横向为X方向,主梁纵向为Y方向,主梁竖向为Z方向),在墩柱底板施加固结约束以模拟墩柱实际受力情况。
图4 墩柱有限元模型图
5.2 分析结果
5.2.1 正应力分析
图5～7分别为牛腿X方向、Y方向及Z方向正应力分析结果。
图5 牛腿X方向正应力
图6 牛腿Y方向正应力
图7 牛腿Y方向正应力
由图5～图7可知，牛腿在X、Y及Z方向大部分区域应力均在2 MPa之间,构件受力处于安全状态(拉应力为正,压应力为负,下同)。
5.2.2 主应力分析
牛腿主拉应力及主压应力分别如图8、图9所示。
图8 牛腿主拉应力
图9 牛腿主压应力
由图8可知，墩柱大部分区域主拉应力小于2 MPa,而在架桥机作用区域附近存在应力集中现象,应力在2.09～2.81 MPa,即存在开裂的可能,建议在牛腿顶部布置钢筋网。由图9可知，架桥机作用区域主压应力最大为12.53 MPa,小于0.75倍的C40混凝土抗压强度标准值,所以牛腿受力处于安全状态[10-12]。
6 结 论
(1)上述两种方法计算结果对比分析显示,牛腿模型计算结果与有限元模型验算结果相近。牛腿计算公式更简单,计算理论简单明确,实用性较强。
(2)基于目前配筋情况,牛腿整体受力状态为安全状态。但架桥机作用区域附近应力较为集中,建议在牛腿顶面布置防裂钢筋网。
(3)本文计算方法对钢板组合梁桥墩扩大头设计均适用,因此本项目桥墩的设计可标准化设计。
