箱梁懸臂橋板的結(jié)構(gòu)計(jì)算案例
2011-10-08 來源：中國百科網(wǎng)
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(fù)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(fù)雜形狀，同時(shí)具有立體感強(qiáng)和美觀等優(yōu)點(diǎn)。其主要設(shè)計(jì)構(gòu)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越，同時(shí)又最大限度地減少了橋墩墩身和基礎(chǔ)寬度。因此在江浙運(yùn)河一帶大中跨徑橋板設(shè)計(jì)方面運(yùn)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。
一、懸臂板結(jié)構(gòu)受力情況分析
1.1懸臂板受彎分析
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往將復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)簡化為直觀的平面問題來進(jìn)行考慮，但就復(fù)合式箱梁懸臂橋板而言，它是空間結(jié)構(gòu)。因?yàn)閼冶郯迮c腹板間結(jié)構(gòu)高度發(fā)生突變，導(dǎo)致兩者形心跳躍，由于恒活載在箱梁橫截面內(nèi)各部件的內(nèi)力與應(yīng)力變化十分復(fù)雜。如采用電算時(shí)，常常把箱梁作為整體空間結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析，其縱向受力計(jì)算通常只考慮了板的整體彎曲結(jié)構(gòu)驗(yàn)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(jié)構(gòu)計(jì)算的盲點(diǎn)。
如圖2所示的箱梁懸臂板在恒活載作用下除會(huì)發(fā)生橫向彎曲變形外也常常會(huì)發(fā)生縱向彎曲變形。 由于箱梁懸臂板為薄壁構(gòu)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(yīng)力，這就使它成為上部結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，并在懸臂根部產(chǎn)生應(yīng)力集中和開裂的現(xiàn)象。在懸臂板橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)其懸臂長度與端部厚度通常均參照有關(guān)圖表，并根據(jù)橫向預(yù)加應(yīng)力或布設(shè)鋼筋等情況而定，當(dāng)懸臂過長時(shí)恒活載則會(huì)在懸臂根部產(chǎn)生很大的剪切力，并導(dǎo)致在懸臂側(cè)腹板產(chǎn)生縱向彎曲應(yīng)力，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可將此剪切力作為外荷載處理，并根據(jù)此剪切力產(chǎn)生的彎矩在腹板側(cè)配足夠的受力鋼筋，也就是說箱梁整體驗(yàn)算的基礎(chǔ)上對(duì)縱向受力鋼筋在底板的布置應(yīng)按受力情況重新進(jìn)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(jì)算縱向受力鋼筋已經(jīng)配足，但按其實(shí)際受力情況特點(diǎn)分析由于在懸臂側(cè)腹板根部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，而在腹板根部兩側(cè)漸遞減小。如按常規(guī)設(shè)計(jì)就會(huì)造成懸臂側(cè)腹板內(nèi)縱向受力鋼筋配置不合理，從而導(dǎo)致箱梁懸臂板側(cè)腹板根部抗彎能力不足，并產(chǎn)生裂縫。
二、懸臂板強(qiáng)度驗(yàn)算
根據(jù)懸臂板的空間受力特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)懸臂板的橫向和縱向分別進(jìn)行計(jì)算。
2.1懸臂板的橫向抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算
由于懸臂板的橫向抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算各類參考書中都已有詳細(xì)介紹，故本文不作探討。
2.2懸臂板的縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算
我們可以考慮換個(gè)角度思考問題，如單獨(dú)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(huì)發(fā)生斷裂。考慮到箱梁懸臂板受力的特點(diǎn)可知由于懸臂板的縱向受力可與比鄰的腹板共同承擔(dān)，但計(jì)算腹板厚度時(shí)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(jì)算時(shí)受力簡圖可取脫離體——倒L形截面按T形簡支梁驗(yàn)算。
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(jìn)行抗彎及抗剪強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)計(jì)算所得的鋼筋全部布設(shè)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(dān)，則在腹板內(nèi)需配置能足夠承擔(dān)此彎矩的鋼筋骨架或是預(yù)應(yīng)力鋼筋，如圖4所示。
三、案例
某人行橋采用C40箱梁橋板，跨徑12m，計(jì)算跨徑l=11.4m，設(shè)計(jì)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(shè)橫坡。橋面由2塊板組合，寬度180cm，（預(yù)制寬度179.5cm，留0.5cm為施工調(diào)節(jié)裕量），板厚為70cm，兩側(cè)設(shè)置欄桿。
（1）荷載計(jì)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(shè)計(jì)值：g=2.337T/m；活載設(shè)計(jì)值：q=1.085 T/m。
（2）整體強(qiáng)度驗(yàn)算
按簡支梁計(jì)算彎矩：M跨中=55.59T·m，按T形梁截面配筋計(jì)算需配置14根φ20Ⅱ級(jí)鋼筋。
（3）左側(cè)懸臂板局部強(qiáng)度驗(yàn)算
懸臂板縱向彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算按圖3取脫離體按T形截面進(jìn)行配筋計(jì)算（本文右側(cè)懸臂板強(qiáng)度驗(yàn)算及其它驗(yàn)算略）。脫離體荷載計(jì)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(shè)計(jì)值：g=0.959T/m；活載設(shè)計(jì)值：q=0.273T/m。
按簡支梁計(jì)算彎矩：M跨中=20.01T·m，按T形梁截面配筋計(jì)算需配置4根φ20Ⅱ級(jí)鋼筋。鋼筋布置如圖4所示（其他鋼筋未示）。
四、結(jié)語
目前通行的懸臂橋板計(jì)算由于只考慮了板統(tǒng)一的整體空間結(jié)構(gòu)，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(diǎn)，其受力鋼筋往往是均勻布設(shè)而不是按受力特點(diǎn)布設(shè)，因而是常常會(huì)導(dǎo)致懸臂板根部應(yīng)力集中處發(fā)生裂縫。
本文介紹的計(jì)算方法系按懸臂板實(shí)際受力特點(diǎn)布設(shè)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(yùn)行。
對(duì)于外挑長度超過2.0m的箱形懸臂板，建議對(duì)懸臂板加設(shè)加勁肋或加斜撐間隔布置，通過加強(qiáng)的加勁肋或斜撐傳力，以避免外挑懸臂板在縱向產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力。
