箱桥整体性好,其混凝土压力区能更好地承受正、负转矩,在一定截面面积下能获得较大的弯曲转矩,扭曲刚度大,在偏心活载作用下各梁肋的力也比较均匀其主要设计构想是从扭转刚度大的箱梁上挑出足够长的悬臂,不仅满足了使用要求,而且经济指标优越,最大限度地减少了桥墩身体和基础宽度。因此,广泛应用于江浙运河一带大中跨径桥的设计,随着现代城市高架桥的快速发展,目前箱梁的发展也逐渐趋向于大箱悬臂板的形式。
一、悬臂板结构受力状况分析
1.1悬臂板弯曲分析
在结构设计中,往往将复杂的空间结构简化为直观的平面问题进行考虑,但复合式箱式悬臂桥是空间结构。悬臂板与腹板之间的结构高度发生突变,两者的形心跳跃,恒活载在箱梁截面内各部件的内力和应力变化非常复杂。采用电算时,分析箱梁作为整体空间结构,其纵向受力计算通常只考虑板的整体弯曲结构检查,忽视悬臂板受力的不均匀性,其主要受力部位的纵向弯曲往往成为结构计算的盲点。
如图2所示的箱梁悬臂板在恒活载作用下,除了横向弯曲变形外,纵向弯曲变形也很常见。箱梁悬臂板为薄壁部件,高度不足梁高的三分之一,但传递较大的垂直和水平应力,成为上部结构的弱部分,悬臂根部产生应力集中和裂纹。悬臂板横截面设计时,悬臂的长度和端部的厚度通常参照相关图表,根据横向预加应力和钢筋的配置等情况,悬臂过长时恒活负荷会在悬臂根部产生很大的剪切力,悬臂侧腹板会产生纵向弯曲应力,因此在结构设计剪切力作为外载处理,根据该剪切力产生的弯矩在腹板侧配置足够的受力钢筋,即箱梁整体验算的基础上纵向受力钢筋
目前采用的电算程序只注意将纵向弯曲钢筋平均分配到箱梁底板上,纵向受力钢筋已经足够,但根据实际受力情况的特征,悬臂侧腹板根部应力集中,腹板根部两侧逐渐减少。按常规设计,悬臂侧腹板内纵向受力钢筋配置不合理,箱梁悬臂板侧腹板根部弯曲能力不足,产生裂缝。
二、悬臂板强度检测
根据悬臂板的空间受力特征,分别计算悬臂板的横向和纵向。
2.1悬臂板横向弯曲强度检查
悬臂板横向弯曲强度检查各种参考书详细介绍,本文不予探讨。
2.2悬臂板纵向结构强度检测
可以考虑改变角度考虑问题。例如,单独考虑悬臂板参与纵向受力,板的厚度过小,承载能力不足,纵向断裂。考虑到箱梁悬臂板受力的特点,悬臂板的纵向受力可以与邻居的腹板共同承担,但计算腹板厚度时不得超过悬臂根的高度。纵向最大弯矩通常发生在与悬臂板相邻的腹板跨过中根部,因此计算时受力的简单图可以取得脱离体-倒l形截面用t形简单的支梁进行检查。
恒载可考虑悬臂板、腹板、铺装层等重量,活载可考虑脱离体配置的车辆负载。根据简单的t形梁进行弯曲和剪切强度计算,根据计算得到的钢筋全部布置在桥板悬臂的根部。
2.3悬臂板的钢筋配置
悬臂板纵向弯曲的抗弯能力可由最近的腹板共同承担,因此在腹板内需配置能够承担该弯曲矩的钢筋骨架和预应力钢筋,如图4所示。
三、案例
某人行桥采用C40箱桥板,跨度12m,计算跨度l=11.4m,设计人员负荷5kN/m2,桥面毛宽3.6m,净宽3.1m,铺装层采用5~7cm厚混凝土,铺设3cm厚花岗岩,路面1.5%纵坡,不设横坡。桥面由两块板组合,宽180cm(预制宽179.5cm,剩下0.5cm为施工调节馀量),板厚70cm,两侧设置扶手。
(1)负荷计算
桥面板自重:15.44T(包括铰链和头部缝)桥面花岗岩:1.24T铺装层4.29T扶手:2.4T。每个桥板恒载设计值:g=2.337T/m活载设计值:q=1.085t/m。
(2)整体强度验算
按简支梁计算弯矩:M跨中=55.59T·m,按T形梁截面配筋计算需配置14根φ20Ⅱ级钢筋。
(3)左侧悬臂板局部强度验算
悬臂板纵向弯曲强度验算按图3取脱离体按T形截面进行配筋计算(本文右侧悬臂板强度验算及其它验算略)。脱离体荷载计算:脱离体自重:0.395T/m;桥面花岗岩:0.024T/m;铺装层0.18T/m;栏杆:0.2T/m。恒载设计值:g=0.959T/m;活载设计值:q=0.273T/m。
根据简单的支梁计算扭矩:m跨度=20.01Tm,根据t形梁的断面配筋计算,需要配置φ20ⅱ级的钢筋4根。钢筋配置如图4所示(其他钢筋未显示)。
四、结语
目前通行的悬臂桥板计算,只考虑板统一的整体空间结构,忽略了局部悬臂板受力的不均匀性,特别忽略了纵向弯曲受力的特征,其受力钢筋不是受力的特征,而是均匀配置
本文介绍的计算方法是根据悬臂板的实际受力特征配置受力钢筋,可以避免根部出现裂缝,保证箱梁悬臂板的安全运行。
对于外部选择长度超过2.0m的箱形悬臂板,建议在悬臂板上设置强力肋或斜撑间隔,通过强力肋或斜撑传输力,使外部选择悬臂板不会纵向产生过大的弯曲应力。
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