超大跨径超高性能混凝土连续梁桥优化设计研究.pdf

文章编号:():./.超大跨径超高性能混凝土连续梁桥优化设计研究董海洋(山西交通控股集团有限公司运城南高速公路分公司 运城市)摘 要:为改善超大跨径超高性能混凝土连续梁桥的受力状态提升整体结构的稳定性对桥梁整体设计方案进行优化 根据数值模拟分析结果对跨中梁高、支点梁高、支点底板厚度等设计参数进行调整优化桥梁设计方案 对优化后桥梁的结构受力状态和徐变下挠进行数值模拟分析结果表明优化后桥梁结构受力状态良好、长期挠度较小桥梁整体结构受力和变形均得到有效改善 关键词:超大跨径超高性能混凝土连续梁桥优化设计中图分类号:.文献标识码:引言超大跨径连续梁桥结构复杂工后使用中容易出现跨中过度下挠、梁体开裂等问题严重影响使用寿命 超大跨径连续梁桥病害产生的主要原因包括自身恒载作用、徐变系数较大、汽车荷载重复作用等此外气候因素也是重要的影响因素之一超高性能混凝土较普通混凝土具有更高的强度、更优的力学性能和耐久性且其徐变系数较小应用在超大跨径连续梁桥中可有效改善桥梁受力提升桥梁整体刚度 文章以某超大跨径超高性能混凝土连续梁桥结构设计为研究对象利用有限元模型进行数值模拟分析优化设计参数并对优化后桥梁结构的受力状态和徐变下挠进行验算确定优化效果 桥梁初始设计方案.桥梁概况某高速公路特大桥主跨跨径为 上部结构采用预应力超高性能混凝土变截面连续箱梁桥梁总长度为 该桥梁采用公路 级设计荷载采用双向六车道设计分为左右两幅通车速度为 /单幅桥面设计宽度为 其中行车道宽度为.左侧路缘带宽度为 右侧路肩宽度为.防撞墙宽度为.预应力箱梁设计采用单向预应力体系按照 类构件标准设计.预应力箱梁初始设计方案预应力箱梁材料采用超高性能混凝土根据现有设计方法结合对该桥基本情况的分析确定初始设计方案如图 所示 在全面考虑箱梁受力特点的情况下箱梁底部曲线采用.次抛物线 箱梁内部密集横隔板布置间距为 厚度 并在中支点处进行加强该位置横隔板厚度为 图 预应力箱梁关键界面初始设计(单位:)为保证超高性能混凝土的施工质量采用预制悬臂拼装工艺进行箱梁施工 分节段在预制工厂进行预制施工在蒸养条件下养护 在全面考虑 年 第 期 北方交通预制施工和现场安装施工要求的情况下预制阶段长度确定为 分节段运送到施工现场逐段进行悬臂拼装施工施加预应力 梁高优化设计.梁高比优化设计为进一步提升桥梁结构整体刚度和抗弯性能合理确定中墩支点一跨中截面梁高比 通过优化设计合理确定最优梁高进一步分析得出梁高的合理范围 为进一步提升桥梁结构整体刚度和抗弯性能合理确定中墩支点一跨中截面梁高比 通过优化设计合理确定最优梁高进一步分析得出梁高的合理范围 根据以往设计经验确定曲线连续梁中跨跨中梁高取值范围为计算跨径的/该桥箱梁采用超高性能混凝土主跨跨中梁高取值范围为 .研究取最小值 中墩支点梁高取值范围为计算跨径的/研究取最大值 另外中墩支点梁高应高于跨中梁高因此中墩支点梁高取值范围为 挠度的长期增长系数 根据混凝土标号选择桥梁超高性能混凝土设计标号为 因此 取.利用有限元分析软件进行数值模拟计算得出桥梁正常使用状态下在各类组合荷载作用下的最大竖向挠度及验算挠度比如表 所示梁高比 挠度变化曲线如图 所示表 正常使用状态下主跨数值模拟计算结果支点梁高/梁高比挠度/挠度比规定值././././././././././分析计算结果可知随梁高比的增加挠度值随之下降且不同梁高比所对应的挠度比值均小于规定值/均满足设计要求 分析挠度 梁高比曲线变化趋势可知随梁高比的增加挠度值在前半段下降速度较快后半段趋缓这说明支点梁高对桥梁整体刚度的影响明显应合理确定一个梁高比以充分发挥跨中和支点梁高的作用提升桥梁整体刚图 梁高比 挠度变化曲线度 通过进一步分析确定最优梁高比为.考虑到桥梁的受力较大在实际应用可适当增加支点梁高.确定梁高.确定跨中梁高跨中梁高按挠度层次确定在考虑荷载长期效应影响的前提下以长期挠度值作为标准进行跨中梁高设计 假定梁上部承受均布荷载 通过计算跨中挠度值分析确定跨中梁高的合理性跨中挠度按式()计算:()式中:为计算跨径单位 为梁体抗弯刚度控制截面弯矩 按式()计算:.()式中:为控制截面高度单位 为梁体钢筋纵向受拉应力单位 为受拉区普通钢筋截面积单位 将式()代入式()整理后得到式()按照式()分别计算不同梁高挠度.()分析中不考虑结构自重产生的长期挠度按主梁最大挠度位置梁高不大于计算跨径/的要求计算不同跨中梁高挠度如表 所示表 不同跨中梁高挠度计算结果跨中梁高/支点梁高/梁高比挠度/挠度比./././分析表 计算结果可以得出当跨中梁高达到.时挠度比为/满足设计要求对应的北方交通 年 第 期支点梁高为.考虑到安全要求适当增加富余量因此最终跨中梁高取值为 .确定支点梁高为合理确定梁高在采用梁高比作为依据的同时还要充分考虑桥梁结构的受力要求 支点位置受力较大支点梁高确定时应重点考虑受力要求取跨中梁高为 分别对支点梁高为 和 时梁体的各主要指标进行计算计算结果如表 表 所示 其中荷载组合 为承载能力极限状态下的荷载组合荷载组合 为正常使用极限状态下的荷载组合荷载组合 为持久状况和短暂状况极限状态下的荷载组合表 梁高优化后支点截面主要指标计算结果跨中梁高/支点梁高/组合/组合/长期 组合/.表 梁高优化后跨中截面主要指标计算结果跨中梁高/支点梁高/组合/组合/长期 组合/.分析表 和表 可知跨中梁高从 增加到 在荷载组合 作用下支点截面长期应力最大值 从压应力变为拉应力增加了.跨中截面长期 也有所下降而跨中梁高增加到 受力状态变化不大 在荷载组合 作用下跨中梁高从 增加到 支点截面压应力从.增加到.增幅达到.跨中截面压应力变化幅度较小跨中梁高从 增加到 支点和跨中截面应力变化不大 因此跨中梁高取 支点梁高取 较为合理表 梁高优化后各主要指标计算结果跨中梁高/支点梁高/重量/跨中最大挠度/挠度比./././分析表 可知随着跨中梁高从 增加到 跨中最大挠度从.下降到.降幅达到.而跨中梁高从 增加到 跨中最大挠度下降了.下降幅度较小说明增加跨中梁高可有效提高梁体整体刚度跨中梁高选择 比较合理此时对应支点梁高为 另外梁体重量方面跨中梁高从 增加到 梁体重量仅增加.而跨中梁高从 增加到 梁体重量增加了.因此支点梁高选择 较为合理因此综合考虑受力要求和挠度计算结果跨中梁高和支点梁高的合理取值分别为 和 支点底板厚度优化设计根据上述计算结果可知梁体最大压应力出现在支点底板位置而底板的厚度决定梁体的刚度在上述 个荷载组合作用下支点底板厚度取值范围为.计算支点底板受力状态计算结果如表 所示表 支点底板受力状态计算结果支点底板厚度/组合/组合/长期 组合/挠度/挠度比././././././分析表 计算结果可知支点底板厚度选择 时组合 和组合 作用下支点底板 分别为.和.已经达到应力极限状态而支点底板厚度为.时支点底板所受应力值较厚度为 时有明显下降且应力值相对较小利用率达到高性能混凝土结构抗压强度的 为较优受力状态此时底板厚度与主跨径之比为/因此综合考虑支点底板厚度取值为主跨跨径的/桥梁主跨连续梁桥优化效果分析.优化后桥梁整体结构受力状态分析按照上述优化方案对原设计方案跨中梁高、支 年 第 期 董海洋:超大跨径超高性能混凝土连续梁桥优化设计研究点梁高和支点底板厚度等设计参数进行优化优化后各部分设计尺寸及预应力筋布置图如图 利用有限元软件建立模型进行数值模拟分析共划分为 个单元单个节段长度为 图 优化后设计方案(单位:)在上述三个荷载组合下对优化后桥梁整体受力情况进行计算计算结果见表 表 优化后桥梁整体受力计算结果跨中梁高/支点梁高/组合 拉应力/顶板底板组合 拉应力/顶板底板组合 主应力/顶板底板箱梁长期挠度/.根据计算结果可知箱梁在正常使用状态下顶板和底板主拉应力分别为.和.远小于超过性能混凝土的抗拉强度满足设计要求桥梁长期挠度值为.计算挠度比为/远小于设计要求的/说明桥梁整体刚度也满足设计要求.徐变下挠分析徐变下挠对大跨径桥梁稳定性影响较大采用超高性能混凝土可降低徐变系数减少后期跨中下挠 研究采用受力最大的最不利模型进行验算模拟桥梁施工和使用状态分析徐变下挠 徐变下挠与应力相关而降低支点底板压应力可有效降低徐变挠度文章选择支点底板为研究对象计算结果如表 所示表 支点底板徐变挠度计算结果支点底板厚度/短期挠度/换算徐变挠度/徐变挠度/短期挠度.分析计算结果可知随着支点底板厚度增加短期挠度和徐变挠度值不断下降这是由于支点底板厚度增加可降低压应力进而降低徐变挠度 因此支点底板厚度取值不能过小以控制桥梁结构长期徐变挠度 而厚度过大会增加梁体重量降低施工经济性因此建议该桥梁长期挠度增长系数取 结语为进一步提升超大跨径超高性能混凝土连续梁桥的强度、刚度对跨中梁高、支点梁高、支点底板厚度等设计尺寸进行优化设计并对优化后的设计方案进行模拟计算得出以下结论:()根据受力要求和挠度计算结果跨中梁高和支点梁高的合理取值分别为 和 ()根据支点底板受力状态计算结果得出支点底板厚度取值范围为.()优化后桥梁整体结构受力状况较好长期挠度较小说明桥梁结构稳定满足设计要求参考文献 孟磊.预应力混凝土连续梁桥合龙方案设计及比选研究.粉煤灰综合利用():.冯令才.大跨径预应力混凝土连续梁桥现浇支架设计与应用分析.建筑结构():.张铁强.预应力混凝土连续梁桥设计与结构验算分析.运输经理世界():.刘军.某 跨预应力混凝土连续梁桥合龙方案优化设计.兰州工业学院学报():.裴强郝海峰苏春华.大跨径预应力混凝土连续梁桥设计研究.山东交通科技():.侯磐.某预应力钢筋混凝土连续梁桥加固设计研究.北方交通():.(下转第 页)北方交通 年 第 期标并确定它们的位置和类别参考文献 卢玉韬韩春华曾鹏.基于 的无人机桥梁检测实施方案研究.土木建筑工程信息技术():.许宏元.无人机在桥梁检测中的应用.中国公路():.余加勇刘宝麟尹东等.基于 和 的桥梁裂缝智能识别与测量.湖南大学学报(自然科学版)():.():.(.)().(上接第 页)(.).北方交通 年 第 期