箱梁懸臂橋板的結構計算簡析

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箱梁橋板由于整體性好，其混凝土受壓區(qū)能較好地承受正、負彎矩，在一定的截面面積下還能獲得較大的抗彎慣矩，抗扭剛度大，即使在偏心的活載作用下其各梁肋的受力也比較均勻，并能做成各種復雜形狀，同時具有立體感強和美觀等優(yōu)點。其主要設計構思是在抗扭剛度大的箱梁上從兩處挑出足夠長的懸臂，這樣不僅滿足了使用要求，而且經濟指標優(yōu)越，同時又最大限度地減少了橋墩墩身和基礎寬度。因此在江浙運河一帶大中跨徑橋板設計方面運用廣泛，隨著現(xiàn)代化城市高架橋的快速發(fā)展，目前箱梁的發(fā)展也正逐漸趨向大箱配大懸臂板形式。針對目前箱梁橋板的發(fā)展趨向，為滿足其安全和可靠的要求，對于懸臂板縱向彎曲受力情況應引起足夠重視。目前箱梁橋板工程中常常出現(xiàn)的箱梁腹板根部發(fā)生裂縫（如圖1），根據(jù)現(xiàn)場檢測：發(fā)現(xiàn)其裂縫具有腹板根部粗、兩側逐漸減小的特點；根據(jù)分析初步判斷是由于設計時只考慮了橋板的整體受力，但卻忽視了懸臂板縱向彎曲的問題，因此縱向受力鋼筋在底板處雖已配足，但由于縱向受力鋼筋在底板處系采取平均布置，而非按實際受力情況布設，從而造成腹板根部局部承載能力不足，并導致橫向裂縫的產生。圖1箱梁橋板常裂縫簡圖圖2懸臂板受彎狀態(tài)分析1.懸臂板結構受力情況分析1.1懸臂板受彎分析在結構設計中往往將復雜的空間結構簡化為直觀的平面問題來進行考慮，但就復合式箱梁懸臂橋板而言，它是空間結構。因為懸臂板與腹板間結構高度發(fā)生突變，導致兩者形心跳躍，由于恒活載在箱梁橫截面內各部件的內力與應力變化十分復雜。如采用電算時，常常把箱梁作為整體空間結構來進行分析，其縱向受力計算通常只考慮了板的整體彎曲結構驗算，而忽視了懸臂板受力的不均勻性，其主要受力部位的縱向彎曲往往成為結構計算的盲點。如圖2所示的箱梁懸臂板在恒活載作用下除會發(fā)生橫向彎曲變形外也常常會發(fā)生縱向彎曲變形。由于箱梁懸臂板為薄壁構件，其高度不到梁高的三分之一，但又要傳遞較大的垂直和水平應力，這就使它成為上部結構中的薄弱部位，并在懸臂根部產生應力集中和開裂的現(xiàn)象。在懸臂板橫斷面設計時其懸臂長度與端部厚度通常均參照有關圖表，并根據(jù)橫向預加應力或布設鋼筋等情況而定，當懸臂過長時恒活載則會在懸臂根部產生很大的剪切力，并導致在懸臂側腹板產生縱向彎曲應力，所以結構設計時可將此剪切力作為外荷載處理，并根據(jù)此剪切力產生的彎矩在腹板側配足夠的受力鋼筋，也就是說箱梁整體驗算的基礎上對縱向受力鋼筋在底板的布置應按受力情況重新進行配置。而目前采用的電算程序往往只注意將縱向抗彎鋼筋平均分配在箱梁底板上，雖然根據(jù)計算縱向受力鋼筋已經配足，但按其實際受力情況特點分析由于在懸臂側腹板根部會出現(xiàn)應力集中，而在腹板根部兩側漸遞減小。如按常規(guī)設計就會造成懸臂側腹板內縱向受力鋼筋配置不合理，從而導致箱梁懸臂板側腹板根部抗彎能力不足，并產生裂縫。2.懸臂板強度驗算根據(jù)懸臂板的空間受力特點，應對懸臂板的橫向和縱向分別進行計算。2.1懸臂板的橫向抗彎強度驗算由于懸臂板的橫向抗彎強度驗算各類參考書中都已有詳細介紹，故本文不作探討。2.2懸臂板的縱向結構強度驗算我們可以考慮換個角度思考問題，如單獨考慮懸臂板參與縱向受力，由于板的厚度過小加上承載能力不足，其縱向一定會發(fā)生斷裂?？紤]到箱梁懸臂板受力的特點可知由于懸臂板的縱向受力可與比鄰的腹板共同承擔，但計算腹板厚度時不宜超過懸臂根部高度。由于縱向最大彎矩通常均發(fā)生在與懸臂板比鄰的腹板跨中根部，故計算時受力簡圖可取脫離體——倒L形截面按T形簡支梁驗算（見圖3）。圖3懸臂板計算簡圖圖4箱梁懸臂側腹板抗彎配筋簡圖恒載考慮懸臂板、腹板、鋪裝層等重，活載可考慮在脫離體布置的車輛荷載。按簡支T形梁進行抗彎及抗剪強度計算，根據(jù)計算所得的鋼筋全部布設在橋板懸臂根部。2.3懸臂板的鋼筋布置由于懸臂板在縱向的抗彎能力可由最近的腹板共同承擔，則在腹板內需配置能足夠承擔此彎矩的鋼筋骨架或是預應力鋼筋，如圖4所示。3.案例某人行橋采用C40箱梁橋板，跨徑12m，計算跨徑l=11.4m，設計人群荷載5kN/m2，橋面毛寬3.6m，凈寬3.1m，鋪裝層采用5~7cm厚的混凝土，上鋪3cm厚花崗巖，路面作成1.5%縱坡，不設橫坡。橋面由2塊板組合，寬度180cm，（預制寬度179.5cm，留0.5cm為施工調節(jié)裕量），板厚為70cm，兩側設置欄桿，斷面尺寸見圖5.圖5某人行橋箱梁橋板（1）荷載計算橋面板自重：15.44T（含鉸縫及封頭縫）；橋面花崗巖：1.24T；鋪裝層4.29T；欄桿：2.4T.每塊橋板恒載設計值：g=2.337T/m；活載設計值：q=1.085T/m.（2）整體強度驗算按簡支梁計算彎矩：M跨中=55.59T.m，按T形梁截面配筋計算需配置14根φ20Ⅱ級鋼筋。（3）左側懸臂板局部強度驗算懸臂板縱向彎曲強度驗算按圖3取脫離體按T形截面進行配筋計算（本文右側懸臂板強度驗算及其它驗算略）。脫離體荷載計算：脫離體自重：0.395T/m；橋面花崗巖：0.024T/m；鋪裝層0.18T/m；欄桿：0.2T/m.恒載設計值：g=0.959T/m；活載設計值：q=0.273T/m.按簡支梁計算彎矩：M跨中=20.01T.m，按T形梁截面配筋計算需配置4根φ20Ⅱ級鋼筋。鋼筋布置如圖4所示（其他鋼筋未示）。4.結語4.1目前通行的懸臂橋板計算由于只考慮了板統(tǒng)一的整體空間結構，而忽視了局部懸臂板受力的不均勻性，特別是忽略了縱向彎曲受力的特點，其受力鋼筋往往是均勻布設而不是按受力特點布設，因而是常常會導致懸臂板根部應力集中處發(fā)生裂縫。4.2本文介紹的計算方法系按懸臂板實際受力特點布設受力鋼筋，因而在其根部可以避免出現(xiàn)裂縫，并保證了箱梁懸臂板的安全運行。4.3對于外挑長度超過2.0m的箱形懸臂板，建議對懸臂板加設加勁肋或加斜撐間隔布置，通過加強的加勁肋或斜撐傳力，以避免外挑懸臂板在縱向產生過大的彎曲應力。