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        鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)與實(shí)例分析

        2016-11-16 05:39:55曲世琨
        城市道橋與防洪 2016年4期
        關(guān)鍵詞:箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

        曲世琨

        (中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,上海市200032)

        鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)與實(shí)例分析

        曲世琨

        (中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,上海市200032)

        鋼筋混凝土彎箱梁橋因其良好的力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性,同時對道路線型的適應(yīng)性,在城鎮(zhèn)立交設(shè)計及公路路網(wǎng)交叉節(jié)點(diǎn)設(shè)計時得到了廣泛的應(yīng)用?,F(xiàn)分析彎箱梁橋的力學(xué)性能及受力特點(diǎn),并結(jié)合工程實(shí)例探討有關(guān)彎箱梁橋支座布置及抗傾覆的問題,總結(jié)出彎箱梁橋在設(shè)計過程中的注意事項(xiàng)及解決方法,為同類橋型的設(shè)計提供一定的參考。

        彎箱梁橋;支座布置;抗傾覆

        0 引 言

        隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的發(fā)展及道路交通的需要,道路路網(wǎng)建設(shè)時在部分交通節(jié)點(diǎn)需修建互通立交。在道路線型設(shè)計的過程中,由于受地形、地物條件的影響,或在立交匝道工程中,需設(shè)置部分曲線以滿足線型及交通功能的需要[1]。當(dāng)路線曲線半徑較大時,常規(guī)的設(shè)計理念是以直代曲,該方法雖能滿足線型走向及使用功能,但美觀程度欠缺,后澆濕接縫也存在眾多弊病。而當(dāng)遇到小曲線半徑的路線時,往往需要采用整體現(xiàn)澆連續(xù)彎箱梁橋以滿足設(shè)計的需要。相對于直線梁橋,連續(xù)彎箱梁橋能適應(yīng)較為復(fù)雜的建筑空間條件,整體受力性能優(yōu)越,同時曲線梁外觀柔美輕快,線型生動優(yōu)美,且行車平順流暢。彎箱梁雖有以上優(yōu)點(diǎn),但也存在些許不足,如在彎扭耦合作用下箱梁梁端偏向曲線外側(cè)“爬移”,內(nèi)外側(cè)支反力不均導(dǎo)致的支座脫空,使用階段梁體裂縫寬度超限值,以及伸縮縫變形不均勻等問題。在彎箱梁橋的設(shè)計過程中,有針對性地對可能出現(xiàn)的病害采取有效的防治措施,最大程度地提高結(jié)構(gòu)的使用壽命及景觀效果。

        1 彎箱梁橋受力特點(diǎn)

        1.1彎-扭耦合作用

        作為曲線梁橋的特點(diǎn)之一:即是梁體在外力作用下同時產(chǎn)生彎矩和扭矩,兩者相互影響,形成“彎-扭”耦合作用[2]。在這種耦合作用力下,結(jié)構(gòu)的受力變得異常復(fù)雜且不明確。梁體的變形在彎矩和扭矩的疊加效應(yīng)下較一般直線梁橋大,梁截面主拉應(yīng)力效應(yīng)也較大。曲線半徑越小,扭矩就越大,大曲線側(cè)的梁體的變形就越明顯。對于常用的箱型截面梁,過大的耦合效應(yīng)將使梁端產(chǎn)生翹曲變形。如若梁端橫向約束剛度不足,在荷載的長久作用下,梁體將逐漸向曲線外側(cè)“爬移”。因此,在彎、扭矩的共同作用下,結(jié)構(gòu)的變形、橫向位移將成為影響結(jié)構(gòu)使用性能的一大隱患。在進(jìn)行小曲線半徑橋梁設(shè)計時,需采取相應(yīng)的措施以減小耦合作用對梁體的影響。

        1.2曲線內(nèi)外側(cè)受力不均

        扭矩在截面上產(chǎn)生的剪力流,使得內(nèi)外側(cè)梁體形成荷載差,導(dǎo)致外側(cè)梁所受荷載加大,內(nèi)側(cè)梁所受荷載相應(yīng)減小,從而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)梁體變形不一致,截面應(yīng)力不均勻,降低結(jié)構(gòu)的耐久性。

        1.3支反力不均引起支座脫空

        梁體內(nèi)外側(cè)受力不均的間接影響是使得設(shè)置了抗扭雙支座的梁體內(nèi)外側(cè)支座不均勻受力。支反力的不均勻不僅左右支座的選型,同時也會影響墩臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計。當(dāng)內(nèi)外反力差很大時,如若未設(shè)置有承受拉力的支座,曲線內(nèi)側(cè)的支座將會脫空,使得梁體與支座脫離,嚴(yán)重影響曲線外側(cè)支座受力及結(jié)構(gòu)整體安全。因而在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計及支座布置時需盡量減少這種反力差,使內(nèi)外支反力均衡化。

        鑒于彎箱梁橋獨(dú)特的受力特點(diǎn),當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或使用階段維護(hù)不當(dāng)時,梁體將會產(chǎn)生一系列的有別于直線橋梁的病害。如上所述,主梁支座的脫空、主梁裂縫及變形超限、整體傾覆破壞、墩柱開裂破壞等。因此,需對曲線梁橋進(jìn)行全面的分析及可靠的設(shè)計。

        2 彎箱梁橋可靠性設(shè)計

        針對小半徑曲線彎箱梁可能產(chǎn)生的病害,需對其進(jìn)行有效的防治??傮w而言,有以下幾種方式。

        2.1合理布置橋跨

        對于普遍性存在的梁體內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)狀,為保證曲線內(nèi)側(cè)支座處于受壓狀態(tài),比較有效的措施之一:即合理布置橋跨,使邊跨盡量與中跨跨徑相近。理論研究證明,當(dāng)邊跨與中跨比為0.8或采用等跨布置時,即可消除因跨徑不等而產(chǎn)生的反力差,避免內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)拉應(yīng)力。

        2.2加強(qiáng)箱梁構(gòu)造設(shè)計

        在以往的箱梁設(shè)計時,結(jié)構(gòu)尺寸如頂?shù)装?、腹板等均設(shè)計得比較纖薄。雖然減少了結(jié)構(gòu)自重,但也降低了結(jié)構(gòu)的抗剪能力,橫向的抗扭轉(zhuǎn)抗畸變能力也被削弱[3]。為了達(dá)到兩者的平衡,需采取相應(yīng)的構(gòu)造措施以提高截面的抗力:(1)正確設(shè)計頂?shù)装寮案拱搴穸龋拱搴穸炔灰诵∮?0 cm,頂?shù)装搴穸炔灰诵∮?0 cm,靠近支點(diǎn)的截面加厚數(shù)不小于原厚度的50%;(2)適當(dāng)增加橫隔板數(shù)量,除端橫隔梁外,在跨內(nèi)按不超過10 m的間距布置厚度不小于30 cm的橫隔板;(3)合理選擇懸臂長度,通過合理設(shè)計翼緣板有效分布寬度來調(diào)整剪力滯效應(yīng)的影響。

        2.3支座的合理選型及布置

        正確的選擇支座樣式及合理的布置,將會有效地防止梁體“爬移”和“脫空”,并改善梁體的力學(xué)效應(yīng)。常見的彎箱梁橋支撐體系可概括為四種:獨(dú)柱點(diǎn)鉸支承體系、獨(dú)柱點(diǎn)鉸-固結(jié)混合支承體系、全抗扭支承體系及點(diǎn)鉸-抗扭混合支承體系。獨(dú)柱墩雖然能減少下部結(jié)構(gòu)的設(shè)置,并對建筑空間有更好的應(yīng)用性,但梁體及墩臺扭矩效應(yīng)明顯,受力形式較布置有抗扭支座的結(jié)構(gòu)而言略差。而以上四種體系又分別包含設(shè)置預(yù)偏心或不設(shè)置預(yù)偏心兩種類型[4]。預(yù)偏心設(shè)置的大小需根據(jù)計算確定,偏心值得設(shè)置應(yīng)使梁體在自重作用下內(nèi)外側(cè)支反力及墩臺兩側(cè)扭矩大小比較均衡為宜。當(dāng)確定支座布置方式后,需合理選擇支座的約束方式,是單向支座、雙向支座或固定支座,應(yīng)通過計算對比分析,找出使梁體及墩臺受力最均衡的約束方式。

        2.4整體抗傾覆設(shè)計

        對中小跨徑彎箱梁橋,需進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算:使上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)的比值及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于2.5。抗傾覆驗(yàn)算的前提是確定結(jié)構(gòu)的傾覆軸線:(1)當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線內(nèi)側(cè)時,傾覆軸線為橋臺外側(cè)支座連線;(2)當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線外側(cè)時,傾覆軸線取為一橋臺外側(cè)支座和跨中橋墩支座連線。其抗傾覆安全系數(shù)γqf可按下式計算[5]:

        式中:RGi為成橋狀態(tài)時各個支座的支反力;xi為各個支座到傾覆軸線的垂直距離;u為沖擊系數(shù);qk及Pk為車道荷載中均布荷載及集中荷載;Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積;e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

        3 工程實(shí)例分析

        綜上所述,在全面了解和分析了彎箱梁橋的受力特點(diǎn)及可靠性設(shè)計的理念后,下面以一實(shí)際工程為例對該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究,并著重分析荷載作用下結(jié)構(gòu)的反力、扭矩效應(yīng)及全橋的抗傾覆安全性。

        3.1工程概述

        該工程為某城市一互通立交橋S匝道第二聯(lián)3×20 m鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁橋,中心樁號S0+105.226,匝道位于半徑R=70 m的圓曲線上。上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室的鋼筋混凝連續(xù)彎箱梁,混凝土等級為C50。梁高1.8 m,橋面寬11.5 m,翼緣板寬度為2.5 m??缰薪孛骓敯搴穸葹?5 cm,底板厚為22 cm,腹板厚40 cm;支點(diǎn)處各結(jié)構(gòu)厚度均增加20 cm。各跨間設(shè)置30 cm厚跨中橫隔板。全橋支座采用全抗扭雙支座,支座中心間距為4 m,在0號、3號墩設(shè)置10 cm向曲線外側(cè)偏心;在1號、2號墩處設(shè)置15 cm向曲線外側(cè)偏心。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱花瓶墩,鉆孔灌注樁基礎(chǔ):墩身厚1.6 m,寬度由1.5 m過渡到2.0 m,承臺厚2.0 m,樁基直徑1.8 m,樁長30 m。匝道立面、平面及斷面圖如圖1所示。

        3.2結(jié)構(gòu)建模與單元離散

        該橋采用MIDAS/CIVIL有限元軟件進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)分析計算。全橋共劃分為96個單元,113個節(jié)點(diǎn)(其中包含16個支座節(jié)點(diǎn))。結(jié)構(gòu)離散模型如圖2所示。結(jié)構(gòu)考慮荷載效應(yīng)如表1所列。

        支座布置如圖3所示:全橋在曲線內(nèi)側(cè)1號墩設(shè)置固定支座,其余墩分別設(shè)置單向或雙向支座。

        圖1 匝道立面、平面及標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:cm)

        圖2 全橋結(jié)構(gòu)離散模型透視圖

        表1 全橋結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)一覽表

        圖3 支座布置示意圖

        3.3全橋結(jié)構(gòu)計算分析

        3.3.1支反力計算

        該工程采用全抗扭雙支座,在考慮支座預(yù)偏心的情況下,各墩頂支座受力均勻,且均為受壓狀態(tài),未出現(xiàn)拉力,避免了使用階段支座“脫空”現(xiàn)象的發(fā)生。恒載效應(yīng)支反力及各組合包絡(luò)效應(yīng)下支反力如表2所列。

        表2 全橋支反力計算結(jié)果匯總表 kN

        3.3.2扭矩計算

        通過合理的布置支座,以及相應(yīng)的構(gòu)造措施,該橋各跨間扭矩絕對值較為均衡,恒載及活載扭矩效應(yīng)如圖4、圖5所示。

        3.3.3抗傾覆計算

        根據(jù)上述彎箱梁抗傾覆計算理論,選定結(jié)構(gòu)傾覆軸軸線,建立抗傾覆計算模型,如圖6所示。各支座到傾覆軸線距離為X1=3.96 m,X2=0 m,X3=3.958 m,X4=0 m,X5=9.01 m,X6=5.376 m,X7= 18.696 m,X8=15.681 m,其恒載支反力如表2所列。傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積Ω=75.82m2,橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值e= 3.305 m。經(jīng)計算,該結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)γqf=35.8遠(yuǎn)大于2.5,故全橋抗傾覆安全驗(yàn)算滿足要求。

        圖4 恒載作用下全橋扭矩圖

        圖5 活載作用下全橋扭矩包絡(luò)圖

        圖6 上部結(jié)構(gòu)箱梁抗傾覆計算模型

        4 結(jié)語

        通過上述理論結(jié)合工程實(shí)際的分析研究,得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:

        (1)邊跨與中跨跨徑比宜為0.8~1.0,可在一定程度上消除因跨徑不等而產(chǎn)生的反力差,改善支座不均勻受力的現(xiàn)象。

        (2)適當(dāng)增加中橫隔板數(shù)量或適當(dāng)加厚,可大大增強(qiáng)截面的抗扭能力,避免箱梁截面因抗扭特性布置導(dǎo)致的畸變。

        (3)在橋下建筑空間允許的條件下適當(dāng)增大支座間距,并設(shè)置支座預(yù)偏心,可大大改善結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)變形及受力不均的現(xiàn)象,并有效地防止梁體“爬移”或支座“脫空”。

        (4)采用全抗扭雙支座的結(jié)構(gòu)形式,其抗傾覆能力將大大提升,并能有效地改善梁體“彎-扭耦合”效應(yīng),上部結(jié)構(gòu)受力更均衡。

        [1]鄧濤.預(yù)應(yīng)力連續(xù)彎箱梁橋的設(shè)計與分析[J].山西建筑,2013,(24):180-181.

        [2]邵榮光.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1996.

        [3]熊雪明.鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁橋設(shè)計實(shí)例[J].城市道橋與防洪,2011,(4):78-81.

        [4]梁仲林.曲線梁橋設(shè)計中支承形式的選用[J].橋梁建設(shè),2007,(增刊):7-10.

        [5]姚玉強(qiáng),張磊,張楊.中小跨徑連續(xù)梁橋抗傾覆計算研究 [J].西南公路,2013,(01):36-41.

        [6]JTGD60-2015,公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范[S].

        U441+.5

        B

        1009-7716(2016)04-0061-04

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.020

        2016-01-19

        曲世琨(1981-),男,山東萊州人,碩士,工程師,從事路橋工程設(shè)計工作。

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