路曉宇

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司, 重慶 401121)

隨著城市交通建設的快速發(fā)展,為滿足不同方向的連接需求,道路平面會由主線分叉為2個或多個匝道,由此產(chǎn)生分叉變寬橋梁,此類橋梁主線段橋面寬度通常變化劇烈,分支匝道則需轉方向連接其他線路,基于對下層道路的跨越需求、地形限制、用地范圍限制等因素,通常會設計小轉彎半徑匝道。據(jù)此,基于上述地形及工程建設需求,提出小半徑曲線分叉變寬橋梁的概念,即通過沿全橋變寬度、變曲率、變坡度實現(xiàn)梁體外形順暢過渡,以滿足行車舒適度的要求。

小半徑曲線橋梁和分叉變寬橋梁分別在國內(nèi)有一定研究成果。劉思青[1]通過合理建立三維梁格模型,總結了分叉變寬橋不同腹板的受力特性,并分析了縱橫梁剛度對梁體內(nèi)力的影響。郭丁[2]基于不同類型變寬箱梁,運用Midas/Civil軟件實現(xiàn)了梁格法參數(shù)化建模。魏金校、彭衛(wèi)兵等[3-4]根據(jù)工程實例,分析了曲線梁橋的傾覆原理,并提出計算方法。張秋陵等[5]通過ANSYS軟件進行空間實體模擬,指出彎橋寬跨比小于3～4時,梁體在預應力作用下發(fā)生了水平和垂直位移,梁體有向外翻轉的趨勢。史芳華等[6]分析了爬移問題產(chǎn)生的機理,歸納出橋梁爬移的幾種模式,并提出預防方法。

基于上述已有成果,本文依托重慶市市區(qū)某小半徑曲線分叉橋梁的工程背景,從橋梁分聯(lián)形式、支撐方式、箱室構造、預應力配置等方面探討該類橋梁的設計,論述解決小半徑曲線分叉橋工程病害的設計方法。

1 工程概況

為滿足交通量需求,重慶市主城某片區(qū)需進行路網(wǎng)改造,改造內(nèi)容含跨越地面既有主干路的橋梁。該橋道路線型為90°轉彎,平曲線半徑為45 m,平面為分叉形式,由主線引出2條匝道,橋面寬度變化范圍為16.5 m～27.5 m。

橋梁結構采用現(xiàn)澆預應力混凝土連續(xù)梁,箱梁跨徑布置為20 m+30 m+2×27 m+2×30 m,梁高1.6 m,如圖1所示。

2 計算模型

曲線梁橋受彎扭耦合作用,在荷載作用下曲線內(nèi)外側腹板的內(nèi)力差距大,分叉橋橋寬變化劇烈,寬跨比大,傳統(tǒng)的窄橋相關理論不能完全適用該橋梁。

2.1 模型的建立

該項目橋梁P2～P5跨位于圓曲線上,P4～A6跨為分叉變寬段,P4墩折線橫梁處左右梁截面存在寬度突變,單梁模型模擬誤差較大?；钶d局部偏載時,加載側腹板剪力滯后效應突出,實體單元模擬可更精準反映梁截面橫向應力分布的不均勻狀態(tài),但運算代價高,且應力形式的計算結果不符合設計習慣。梁格法將多箱室梁體等效為由橫向虛梁連接的多片縱向梁格,計算效率高,但未考慮寬橋的剪力滯后效應,可通過實體單元計算剪力滯系數(shù)以修正梁格法計算的正應力結果[7-9]。綜上,選擇梁格模型進行計算分析。

該梁箱室寬度在同一截面寬度不等,箱室數(shù)量沿全橋不少于3個,沿每個箱室對稱軸進行切分可形成對稱的中腹板縱梁和不對稱的邊腹板縱梁,邊腹板懸挑翼緣短,故對整體中性軸影響較小,該劃分方式可使箱室數(shù)量多的梁格模型更接近整體箱梁中性軸[10-11]。梁格理論中,箱梁的全部自重由梁格中的每個桿件承擔,Midas/Civil中根據(jù)單元賦予的材質自動計算自重,橫向梁單元不能與縱向梁單元重復計算自重,故將所有橫向梁格單元設置為無容重,將橫梁和橫隔板自重以外荷載形式施加在橫向單元上。

2.2 技術指標

1) 道路等級:城市支路。

2) 設計車道數(shù):雙向4車道,分叉處局部為5車道。

3) 設計行車速度:30 km/h。

4) 汽車荷載:城-B級。

5) 橫坡:直線段為雙向1.5%,轉彎處為單向2%超高坡。

6) 縱坡:全橋為4%單向坡。

2.3 材料及特性

箱梁材質為C50混凝土,縱向預應力鋼絞線采用Φs15.2低松弛7股型鋼絞線,錨下張拉控制應力為1 339.2 MPa,主要受力鋼筋為HRB400級普通鋼筋。

3 分聯(lián)形式及支撐方式

基于預應力效應,溫度效應,汽車離心力,混凝土收縮徐變,下部結構傾斜沉降,施工誤差等綜合因素影響,曲線橋會積累難以恢復的爬移變形。爬移問題分為6種模式[6],分別為繞固定墩的平面內(nèi)轉動、支座橫橋向約束失效后沿曲線徑向的平動、支座縱橋向約束失效后沿曲線切向的平動、曲線外側支座脫空、外力作用下橋梁曲線半徑發(fā)生變化,梁體爬移會直接導致伸縮縫損壞及支座病害,若進一步發(fā)展則梁體有傾覆的風險。

設計階段解決曲線梁爬移問題的方式主要有設置側向支撐、加強支座約束、使用雙柱墩、設計支座預偏心等[12]。其核心原理是通過額外外力約束限制橋梁整體位移,或通過調(diào)整支撐反力減小曲線內(nèi)外側受力差異。

3.1 分聯(lián)形式

由主線分叉為兩支匝道的橋梁,傳統(tǒng)做法是在分叉處分聯(lián),以避免線型和橋面寬度相差較大的匝道橋與主線橋受力狀態(tài)耦合,該設計方法使各聯(lián)橋梁寬度變化順暢,也便于結構設計,適用于分叉線交角小匝道轉彎半徑大的分叉梁。但對于小半徑曲線的匝道,將增加梁體整體爬移和傾覆的隱患[13-14]。該項目兩匝道左支為曲線,右支為直線,可將主線與曲線匝道橋不分聯(lián),作為一個整體,主線與直線匝道分聯(lián)。主線橋橋面寬度大,通過分叉變寬梁體的自身重力限制曲線段梁體的整體爬移,可使曲線段梁體內(nèi)外側支撐反力的分配差距減小。分別建立P4墩處分聯(lián)和不分聯(lián)2個梁格模型,用以對比2種分聯(lián)形式的優(yōu)缺點。

1) 支撐反力對比

2種模型曲線內(nèi)外側支撐反力的分配如圖2、圖3所示。圖3中,僅對比位于曲線位置梁段的支撐反力。

(a) 模型1:A0～P4四跨一聯(lián)

(a) 模型1

從圖3可見,同一支撐位置,模型2中的P2、P3墩雙支撐曲線內(nèi)外側支撐反力差較模型1更小;P4墩位置的3支座布置較模型1的雙支座布置的反力分配顯著改善,模型2較模型1曲線內(nèi)外側支座反力差由56%降低為7.2%。模型2中,P4～A6梁段對模型1中A0～P4梁段的壓重作用改善了曲線橋的反力分配。

2) 預應力損失對比

為減少因腹板曲線半徑小引起的預應力損失,模型2不分聯(lián)方案采用分段張拉,分別在P1～P2、P3～P4的跨徑3/4處設置施工縫,共分為3個施工節(jié)段,如圖4所示。其中P4～A6梁段鋼束為兩端張拉,梁段P2～P4和A0～P2均為單端張拉。

圖4 全橋結構及鋼束平面布置

模型1分聯(lián)方案可在P4處同時張拉P2～P4梁段和P4～A6梁段的鋼束,P2～P4梁段采用兩端張拉,故分聯(lián)方案可節(jié)約一個梁段的施工時間,預應力損失也相應減少。

2個方案的預應力損失對比如圖5所示。由圖5可知,約30 m梁段范圍內(nèi),不分聯(lián)方案的預應力損失相較分聯(lián)方案減少。

注:縱軸應力為扣除所有損失的有效應力。

3) 活載偏載響應對比

分聯(lián)方案使P4墩處為簡支,活載偏載下,兩方案彎矩分配不同,選取內(nèi)力最大的最外側腹板進行對比,如表1所示。由表1可見,分聯(lián)方案雖在P4處無彎矩,但其他控制設計的位置彎矩增大,負彎矩最大提高11%,正彎矩最大提高22%。

表1 兩方案活載偏載彎矩絕對值對比

綜上,不分聯(lián)方案支撐反力分配更均勻,抗傾覆和爬移的儲備更大;分聯(lián)方案可節(jié)約一個梁段的施工周期,一跨梁的預應力損失減少,活載偏載下,控制截面彎矩絕對值增大,故工期無特殊要求的前提下,選擇不分聯(lián)方案更優(yōu)。

3.2 支撐方式

根據(jù)橋梁爬移和傾覆問題的計算理論,設置固結墩和支座預偏心能改善梁體的剛體運動[15]。P2～P4梁段位于曲線位置,且自重較輕,故選擇該梁段中央P3墩為墩梁固結形式,其他墩均放置支座。因該項目橋墩為斜率相同的V形雙柱墩,每個墩位支座間距均相同,故選擇將P2、P3、P5中墩支座整體向曲線外側偏心10 cm,P4墩處橋面寬度達到30.3 m,曲線外側增加一個獨柱墩,設置3支座。為便于折線橫梁配置普通鋼筋,以橫梁均勻分配正負彎矩為原則確定支座位置。

4 結構設計

4.1 箱室結構設計

單箱多室箱梁抗彎-扭承載能力強,為進一步加強整體性,約束箱梁畸變變形,在位于曲線段的P2～P5每跨跨中各設置1道橫隔板,厚度為40 cm。A0～P4為單箱3室,為滿足橋面分叉處變寬需要,箱室數(shù)量在P4墩處增加,由單向3室箱室變?yōu)閱蜗?室;P5～A6橋寬收窄,減少1道腹板,變?yōu)閱蜗?室,具體尺寸如圖6所示。

(a) A0～P1箱梁跨中斷面

該橋曲線內(nèi)外側腹板跨徑差距大,曲線內(nèi)外側腹板跨度對比如表2所示。

表2 曲線處腹板跨徑對比 m

從表2可知,P3～P4跨內(nèi)外側腹板跨徑相差最大,為9.36 m。

4.2 預應力設計

按A類預應力混凝土構件設計,腹板設置縱橋向通長預應力鋼束,所有中腹板和邊腹板均配置3排2列通長鋼束,如圖7所示;基本組合內(nèi)力如表3所示。

表3 曲線處腹板基本組合彎矩 kN·m

單位:cm

從表3可知,P4墩橋梁分叉處,內(nèi)外側腹板負彎矩相差較大,基本組合下,曲線腹板由外向內(nèi)彎矩值逐步減小,故第1施工節(jié)段同一截面內(nèi)外側腹板應配置規(guī)格不同的鋼束,曲線內(nèi)側腹板選用13-Φs15.2,曲線外側腹板選用18-Φs15.2,分叉加寬的2條直線腹板選用13-Φs15.2。內(nèi)側腹板選用更小規(guī)格的鋼束,亦可減小鋼束對梁體的徑向作用,外側腹板選用大規(guī)格鋼束,既能提高外側腹板的豎向承載力,亦可抵消部分使曲線梁段向外翻轉的扭矩[16]。

由于鋼束二次效應的影響,基本組合工況下,P2～P3跨中正彎矩和P3處負彎矩并非與各個縱梁跨徑呈正相關,故第2施工節(jié)段均采用18-Φs15.2,通過調(diào)整各腹板的鋼束線型來適應各腹板的內(nèi)力差異。

第2施工階段位于直線段,預應力損失較曲線段小,A0～P1邊跨跨徑僅為中跨P1～P2的2/3,故選用更小的鋼束型號12-Φs15.2。

全橋施工縫處鋼束連接器匹配所連接鋼束的較大型號。為防止預應力鋼筋向曲線內(nèi)側彈崩,沿全橋配置間距為15 cm的防崩鋼筋。

5 結論

1) 當分叉橋梁引出的一個匝道曲線半徑較小時,在分叉處采用分跨不分聯(lián)的結構形式能夠改善小半徑曲線段梁體的內(nèi)外側支撐反力分配;不分聯(lián)方案的分叉梁段對寬度小的曲線梁段起到壓重作用,可提高橋梁的抗傾覆、抗爬移的能力。分聯(lián)方案的施工周期較短,預應力損失較小,但活載偏載下內(nèi)力增加,故對施工周期無特殊要求時,推薦不分聯(lián)方案。

2) 通過在曲線梁段設置固結墩、調(diào)整支座偏心可進一步增加梁體的抗傾覆、抗爬移措施。

3) 小半徑曲線分叉橋寬度變化大,需在分叉處增加箱室數(shù)量,每道縱梁腹板線型的設計應保證匝道段和主線段的順暢過渡,使內(nèi)力過渡均勻,方便預應力鋼筋的配置。

4) 曲線梁橋同一跨曲線內(nèi)外側腹板跨徑差異大,同截面配置不同規(guī)格的鋼束來適應各腹板的內(nèi)力差異。根據(jù)不同施工段的梁體內(nèi)力選擇不同規(guī)格的鋼束,以便于設計并節(jié)約成本。