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          水利水电工程农桥设计分析

          2020-11-06 11:36 来源:水利水电工程论文 人参与在线咨询

          [摘要]农桥作为常见的涉水建筑物,广泛用于水利水电工程中。虽然农桥汽车荷载等级较低,规模较小,但分布广泛,与农业生产及群众生活息息相关。在农桥设计中,应重视相关引用规范的更新、农桥荷载的正确取用,进行内力计算分析,确保农桥的运行安全。

          [关键词]农桥;车道荷载;作用组合;内力计算

          1概论

          农桥与广大人民群众的生产生活息息相关,水利工程中的农桥可依据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL482-2011)[1]进行设计。其将等级外道路上的人行便桥和通行汽车、三轮汽车、低速货车、拖拉机、畜力车的生产桥,统称为农桥。随着农业机械化发展及人民生活水平提高,农业生产区的车流量及车辆载重也日益增加,农桥设计也应当引起设计人员重视。对此类建筑物的设计,水利工程相关规范常引用交通等其他行业规范,由于规范更新不一致,常导致不能及时引用新规范,使得设计不合理或结构存在安全隐患。在农桥设计中,设计人员应重视农桥设计荷载取用,对设计工况及结构计算具备清晰的认识,保证农桥的安全性和经济性。

          2荷载分析

          在农桥结构设计中,汽车荷载和人群荷载是农桥的常见荷载。其中人群荷载标准值依据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL482-2011)取值为4kN/m2。《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL482-2011)汽车荷载增补农桥Ⅰ级和农桥Ⅱ级两个荷载等级,荷载取值是在公路-Ⅱ级荷载(《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004))基础上进行折减选用:农桥Ⅰ级车道荷载折减系数0.8,农桥Ⅱ级车道荷载折减系数0.6,农桥Ⅰ级和农桥Ⅱ级车辆荷载的折减系数均为0.7。这在农桥设计中是很有必要的,能在满足安全运行的同时体现经济性,设计人员应根据农桥所处的运行要求合理选用荷载等级进行农桥设计。设计农桥时应注意:《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL482-2011)所引用的公路行业《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)已更新为《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015),车道荷载中的集中荷载荷载标准值计算方法也有所区别,对小跨径桥梁的影响比较明显,设计中需引起重视:《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)车道荷载集中荷载[2]:2×(130+L0)(5m<L0<50m)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)车道荷载集中荷载[3]:4×(40+L0)(5m<L0<50m)农桥以钢筋混凝土梁桥最为常见,因其体型比较简单,施工方便,适用于分散性大及规模小的农桥设计,同时在水利水电工程中常常因水位制约,设计人员会选择简支板桥而不是结构受力更好的T梁桥。以某水利工程中取水塔和岸边公路的交通联系桥为例,分析《公路桥涵设计通用规范》更新对农桥内力计算结果的影响。该桥为钢筋混凝土简支桥,单跨跨度8.0m,计算跨径为7.60m,桥面宽度按《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL482-2011)相关说明确定为:总宽度为5.0m,中部为单车道宽度3.5m,两侧设宽度0.5m的人行道和0.25m的栏杆,板厚取0.4m,桥板采用C30混凝土。栏杆(单侧)自重线密度8kN/m,人群荷载4.0kN/m2。考虑桥梁在建成运行中虽然车流量较小,但在装运启闭机等构件载重较大,因此该桥按农桥Ⅰ级荷载等级设计。分别按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)与《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)进行车道荷载值计算,并按《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL482-2011)规定进行折减,求得农桥Ⅰ级荷载标准值对比见表1。

          3内力计算

          3.1荷载作用组合。农桥荷载在仅考虑自重效应SG,汽车荷载效应SQ,人群荷载效应Sr时,按承载能力极限状态、正常使用极限状态进行作用组合。对比JTGD60-2015与JTGD60-2004对效应组合的规定,二者在承载能力极限状态设计时,汽车荷载效应SQ均应考虑冲击力,人群荷载效应Sr的系数有所区别;正常使用极限状态效应组合含频遇组合与准永久组合,两规范相应系数取值一致。各效应组合计算公式如下:据JTGD60-2015,承载能力极限状态设计时(汽车荷载计冲击力):γ0S=γ0(1.2SG+1.4SQ+0.75×1.4Sr)据JTGD60-2004,承载能力极限状态设计时(汽车荷载计冲击力):γ0S=γ0(1.2SG+1.4SQ+0.8×1.4Sr)正常使用极限状态下的频遇组合(汽车荷载不计冲击力):Sfd=1.0SG+0.4SQ+0.4Sr正常使用极限状态下的准永久组合(汽车荷载不计冲击力):Sqd=1.0SG+0.4SQ+0.4Sr

          3.2内力计算。简支农桥采用影响线法直接加载求活载内力,计算成果见表2,计算公式为:S=(1+μ)ξmi∑qkωj+Piyi!"式中:S为所求截面的弯矩或剪力;μ为汽车荷载冲击系数,依《公路桥涵设计通用规范》计算μ=0.386;ξ为多车道桥涵的汽车荷载折减系数,单车道取1.2;mi为对于所计算主梁的横向分布系数,m=1.0;qk为车道荷载的均布荷载标准值;ωj为使结构产生最不利效应的同号影响线面积;Pi为车道荷载的集中荷载标准值。计算剪力效应时,Pk尚应乘以1.2的系数;yi为所加载影响线种一个最大影响线峰值。表1、表2结果表明,该简支梁桥的车道荷载标准值按JTGD60-2015较JTGD60-2004有所提高,其中车道均布荷载未变化,车道集中荷载增大幅度44.54%,由车道荷载引起的跨中弯矩增幅为36.82%。规范更新后车道荷载的集中荷载取值方法有所不同,在桥梁跨度大于50m时,车道荷载取值一致,但随着跨径减小,按JTGD60-2015选用的桥梁车道荷载值增加越明显。常见农桥跨度较小,因此规范更新对农桥设计影响明显。

          4结构计算分析

          据JTGD60-2015内力计算成果配合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)[4],JTGD60-2004内力计算成果配合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)[5],分别进行结构的正截面配筋、裂缝及挠度分析计算。受力钢筋采用HRB400,净保护层厚度35mm,其他材料力学参数均按相应《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》取用,计算成果见表3。由表3可知,由JTGD60-2015、JTG3362-2018计算的正截面抗弯配筋面积较JTGD60-2004、JTGD62-2004规范增加了20.64%;表2中据JTGD60-2015计算农桥基本组合的跨中弯矩较JTGD60-2004增加18.28%,可见正截面配筋增大幅度与弯矩的提高是相适应的。农桥设计必须满足正常使用极限状态的要求。分别按JTGD60-2015、JTG3362-2018与JTGD60-2004、JTGD62-2004验算相应配筋方案下的裂缝挠度,裂缝宽度满足规范限值。分析表2、表3计算成果,虽按JTGD60-2015、JTG3362-2018配筋面积相较提高较大,但最大裂缝宽度计算结果接近,可见规范更新对正常使用极限状态作用组合的内力及结构也有显著影响。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》更新前后构件抗弯刚度计算方法无区别,故表3自重作用引起的挠度计算结果接近,二者差值是由于配筋方案不同对抗弯刚度的影响引起的;可变作用引起的挠度计算结果差异幅度同表2中的可变作用内力计算值变幅接近。据JTGD60-2015、JTG3362-2018荷载计算开裂构件等效截面的抗弯刚度值B=3.08×1014,可变作用挠度计算值4.61mm满足规范要求,因此按规范设置预拱度即可。

          5结论

          随着《公路桥涵设计通用规范》更新,农桥车道荷载标准值提高幅度较大,且农桥跨径(跨径小于50m)越小,荷载提高越明显,从而农桥内力计算值也明显增大。正截面抗弯配筋面积也随之有所增加。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》更新后,裂缝的计算方法也有所区别,因此据SL482-2011设计农桥时应注意引用最新公路行业设计规范。在水利工程设计时,相关规范涉及其他行业规范时,在设计中也应注意其他行业规范的更新并及时引用新规范。

          作者:陈积乾 何昕倩 单位:四川蜀禹水利水电工程设计有限公司

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