鋼筋混凝土剛構(gòu)橋的設(shè)計體會
2010-07-08
1.概述
該橋為某運(yùn)煤鐵路專用線與下廣公路（一級）的立體交叉構(gòu)造物，橋軸線與下廣公路中線斜交，后改正為正交進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計。該橋兩端分別與車站毗鄰，軌底標(biāo)高已經(jīng)確定。公路中間隔離帶寬2.0m，下廣公路凈寬遠(yuǎn)期規(guī)劃：（9+12+12+9）m。
2.橋型特點(diǎn)
承受重荷，設(shè)計由凈高控制，橋型選定為鋼筋混凝土無梁板剛構(gòu)橋。
鋼筋混凝土剛構(gòu)橋是一種由橋跨結(jié)構(gòu)與墩臺聯(lián)成一體的剛性結(jié)構(gòu)。在豎向荷載作用下，墩底不僅存在豎向反力，也存在水平反力。對于無鉸剛架，還存在彎矩及水平反力和剪力。目前多跨連續(xù)剛構(gòu)橋發(fā)展很快，由于它不需大型支座且線性均勻等系列優(yōu)點(diǎn)，故在經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較時常勝于連續(xù)梁橋。剛構(gòu)橋以多跨連續(xù)最為常見，下廣公路立交橋由于受到下廣一級公路的限制加之地質(zhì)勘測無不良地質(zhì)現(xiàn)象，設(shè)計采用無梁板連續(xù)剛構(gòu)橋。
由于梁體連續(xù)使主梁端部產(chǎn)生了負(fù)彎矩，使主梁跨中彎矩減小從而可以使梁的截面變小，減少混凝土用量，但橋梁及支柱的尺寸構(gòu)造需按規(guī)范確定。
鋼筋混凝土剛構(gòu)橋是一種由橋跨結(jié)構(gòu)與墩臺聯(lián)成一體的剛性結(jié)構(gòu)。在豎向荷載作用下，墩底不僅存在豎向反力，也存在水平反力。對于無鉸剛架，還存在彎矩及水平反力和剪力。目前多跨連續(xù)剛構(gòu)橋發(fā)展很快，由于它不需大型支座且線性均勻等系列優(yōu)點(diǎn)，故在經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較時常勝于連續(xù)梁橋。剛構(gòu)橋以多跨連續(xù)最為常見，下廣公路立交橋由于受到下廣一級公路的限制加之地質(zhì)勘測無不良地質(zhì)現(xiàn)象，設(shè)計采用無梁板連續(xù)剛構(gòu)橋。
由于梁體連續(xù)使主梁端部產(chǎn)生了負(fù)彎矩，使主梁跨中彎矩減小從而可以使梁的截面變小，減少混凝土用量，但橋梁及支柱的尺寸構(gòu)造需按規(guī)范確定。
3.荷載
對于荷載的計算，主要包括結(jié)構(gòu)自重、列車荷載、制動力、風(fēng)力、溫度力、混凝土收縮力及}昆凝士徐變。在計算列車荷載時，由于鐵路“中—活載”較大，在橋跨上行車時，有很大的沖擊力，所以必須計入沖擊系數(shù)。剛構(gòu)橋是一種超靜定結(jié)構(gòu)，因而溫度力、混凝土收縮力及混凝土徐變都將產(chǎn)生次內(nèi)力，在某些情況下，這些次內(nèi)力將很大，必須加以考慮。
按《鐵路規(guī)范》規(guī)定，對于鋼筋混凝土收縮力，按降溫15℃ ～20℃計算混凝土收縮變形產(chǎn)牛的次內(nèi)力，即計算混凝土收縮值為0.000 15～0.000 2，混凝土收縮變形引起次內(nèi)力的同時，混凝土徐變也隨之產(chǎn)生，由于混凝土徐變的影響，收縮次內(nèi)力將會減小，因此，國外有考慮徐變的計算混凝土收縮內(nèi)力的建議方案，但計算較復(fù)雜。
同時，混凝土收縮變形還受當(dāng)?shù)貧夂驕囟鹊挠绊?。由于鋼筋的存在，使混凝土收縮變形受到約束，鋼筋和混凝士之間將產(chǎn)生鹿力重分布，但在現(xiàn)行規(guī)范中這些因素都未加考慮，本設(shè)計中也未考慮混凝土徐變的影響。
另外，混凝土收縮對支柱的影響比較小，所以，在本設(shè)計中，未考慮支柱的收縮對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響。
溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響是復(fù)雜的，因為：溫度本身變化呈現(xiàn)某種周期性變化；不同材料、不同尺寸及不同部位的構(gòu)件對溫度變化的反應(yīng)是不同的；溫度變化往往伴隨著混凝土收縮和徐變、互相聯(lián)系等等。目前在設(shè)計超靜定鋼筋混凝土?xí)r，普遍還是采用近似簡化的計算方法來考慮溫度變化的影響，溫度變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分為下面兩種情況：
(1)均勻的溫度變化，即全結(jié)構(gòu)溫度變化相同。這種溫度變化會使超靜定剛架產(chǎn)生次內(nèi)力。
(2)不均勻的溫度變化，結(jié)構(gòu)不同部位、不同構(gòu)件的溫度變化不同，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了溫度力，因而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力。
溫度均勻變化在超靜定剛架橋中產(chǎn)生的次內(nèi)力其計算方法與收縮次內(nèi)，相同，只需將收縮變形代之以溫度變化的變形，非均勻溫度變化產(chǎn)生的次內(nèi)力主要指梁頂和梁底的溫差，支柱陰陽面的溫差。由丁本橋主梁的厚度較小，本設(shè)計未予考慮。
內(nèi)力計算中，由于計算機(jī)程序的發(fā)展，使計算更加簡便、精確?？捎捎嬎銠C(jī)程序自行完成，按兩種主力、附加力組合進(jìn)行。
主力：結(jié)構(gòu)自重+混凝土收縮力十中一活載。
附加力：1)溫升十制動力+風(fēng)力；2)溫降+制動力+風(fēng)力。
剛構(gòu)橋的節(jié)點(diǎn)即支柱與梁連接的地方，內(nèi)力比較復(fù)雜，很難精確計算，只能在結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些簡化，對內(nèi)力值做m大概的計算，這也是阻礙剛構(gòu)橋發(fā)展的主要因素。此次設(shè)計，應(yīng)用有限單元模擬全橋，計算出的內(nèi)力在支柱與粱連接的地方出現(xiàn)峰值，先適當(dāng)折減而后用于計算。
另外，為安全起見，實際構(gòu)造必須有較大的剛度，以保證主梁和支柱的剛性連接，節(jié)點(diǎn)和主梁連接的截面有很大的負(fù)彎矩，因此節(jié)點(diǎn)內(nèi)緣混凝土受到很大的壓應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)外緣的拉力由鋼筋承擔(dān)，力和壓力形成r一對強(qiáng)大的對角壓力，對節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了劈裂作用，因此節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)格外注意，本設(shè)計中在節(jié)點(diǎn)上下翼緣分別加一層12 m長的鋼筋分布于主筋之間。
4.內(nèi)力計算
目前，超靜定體系橋梁的內(nèi)力，按運(yùn)營荷載作用、結(jié)構(gòu)為彈性的假定進(jìn)行計算。而后用算得的內(nèi)力進(jìn)行截面酉己筋、強(qiáng)度驗算。
剛構(gòu)橋內(nèi)力的計算按如下原則進(jìn)行：
(1)計算圖式的軸線取支柱厚度的中分線和平分主梁跨中截面高度的水平線，對于截面高度變化較大的剛架橋，則以各面高度中分點(diǎn)連線作為計算圖式的理論軸線。
(2)計算截面包括全部混凝土截面（包括受拉區(qū)），不計鋼筋。對于T型或箱形截面，不論其頂板厚度如何，應(yīng)全部計入截面。
(3)計算變位時，略去軸向力和剪力，僅計彎矩。計算張拉力作用所引起的次內(nèi)力時，必須計入軸向力和剪力的影響。
(4)主梁和支柱變截面時，如果在同一構(gòu)件中，最大截面慣性矩超過最小截面慣性矩的兩倍時，考慮變截面影響[1]。
(5)在主梁和支柱相交接的區(qū)域，其截面慣性矩與其他地方相比大得多，可視為趨于無限大，此區(qū)域的變形實際非常小，因此在計算內(nèi)力時可不考慮此區(qū)域的變形影響。
(6)當(dāng)剛架置于壓縮性很小的土壤中時，支柱底面可視為固定的[2]。此橋底為中等堅實土質(zhì)，視為彈性支座約束。
(7)關(guān)于混凝土的彈性模量，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定，截面剛度按0.8Eh計算，其中慣性矩的計算規(guī)則如下：對于靜定結(jié)構(gòu)——不計入混凝土受拉區(qū)，計人鋼筋；對于超靜定結(jié)構(gòu)——計入全部混凝土截面，不計鋼筋。
5.結(jié)語
(1)所進(jìn)行的設(shè)計與實際貼近，有很強(qiáng)的現(xiàn)實應(yīng)用價值。
(2)采用平面桿系的研究方法，手工中—活載加載方法，計算簡便、可靠。
(3)采用FORTRAN 77語言編制的程序通用性強(qiáng)，適用于可視為平面桿系的中小型橋梁的設(shè)計、配筋。
(4)隨著工程技術(shù)的發(fā)展，對鋼筋混凝土剛構(gòu)橋的研究會進(jìn)一步向前發(fā)展，這種橋型以其白身的優(yōu)越性會得到更加廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1]鐵道部專業(yè)設(shè)計院．混凝土橋[M]．北京：中國鐵道出版社，2000．
[2]廖元裳．鋼筋混凝土橋[M]．北京：中國鐵道出版社，1997．
