小半徑曲線梁橋支承方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

胡志穩(wěn)

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410008)

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小半徑曲線梁橋支承方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

胡志穩(wěn)

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙410008)

摘要：支承方式?jīng)Q定著曲線梁橋主梁的受力形式與抗傾覆穩(wěn)定性。合理的支承布置形式不僅能使小半徑匝道橋有著更好的受力穩(wěn)定性，同時(shí)也能有效降低橋梁服役期間的病害發(fā)生幾率，減少投資，增加效益。通過(guò)研究小半徑曲線梁橋在不同的支承方案下的主梁內(nèi)分布情況及全橋抗傾覆穩(wěn)定性，提出曲線橋支承方案相應(yīng)的工程輔助措施，為今后小半徑曲線橋的支承方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：小半徑； 曲線梁橋； 支承設(shè)計(jì)； 內(nèi)力分析； 抗傾覆穩(wěn)定性； 支承方案

0前言

高速公路中的互通樞紐、城市互通立交中的小半徑曲線線型，其橋跨構(gòu)造物較多的采用多跨一聯(lián)的連續(xù)箱梁作為其上部結(jié)構(gòu)形式。然而曲線梁橋運(yùn)營(yíng)期間在荷載作用下主梁斷面會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩[1]，隨著曲線半徑的減少，單聯(lián)所覆蓋的扇形圓心角不斷增大，由此引起主梁的“彎-扭耦合”效應(yīng)更加突出。此外，偏載作用下直接增強(qiáng)了內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象，情節(jié)嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致曲線梁橋的傾覆，此類事故在國(guó)內(nèi)外屢見不鮮[2]。小半徑曲線梁橋有著較為復(fù)雜的空間受力形式[3]。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，確定的曲線線位與橋跨形式下唯有選擇合理的支承形式才能使得全橋在保證良好的受力性能的前提下具備有較高的抗傾覆穩(wěn)定性。因而對(duì)不同支承條件下的主梁受力進(jìn)行精確細(xì)致地計(jì)算和分析，于小半徑曲線橋受力和抗傾覆性能的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

早期曲線梁橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算理論經(jīng)歷了從解析法到數(shù)值法的發(fā)展。近年來(lái)多種空間有限元結(jié)構(gòu)分析軟件的不斷推出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者得以對(duì)其受力特點(diǎn)和承載性能有了更加深入的研究。諸多研究工作大多集中在曲線梁橋的支座反力情況、抗扭性能的影響因素等[4]。亦有學(xué)者探究支承形式、支座的布置方式等下部結(jié)構(gòu)的改變所帶來(lái)的主梁受力穩(wěn)定性的變化[5]。但是，現(xiàn)階段諸多研究成果表明，通過(guò)曲線梁受力性能分析結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行主梁抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算較為繁瑣。而國(guó)內(nèi)的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中也沒(méi)有為設(shè)計(jì)行業(yè)提供一個(gè)簡(jiǎn)潔、可靠、適合工程應(yīng)用的抗傾覆驗(yàn)算方法。鑒于此，本文通過(guò)研究小半徑曲線梁橋在不同的支承方案下的主梁內(nèi)分布情況及全橋抗傾覆穩(wěn)定性，提出曲線橋支承方案相應(yīng)的工程輔助措施，為今后小半徑曲線橋的支承方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1曲線梁橋的支承布置形式及曲線梁橋的受力特點(diǎn)

對(duì)于曲線梁橋，下部結(jié)構(gòu)支承的布置方式直接影響著主梁傾覆軸的相對(duì)位置，從而影響主梁的抗傾覆性能。對(duì)于曲線梁橋，實(shí)際工程中的全聯(lián)支承布置形式可歸納為以下主要的4種(以小半徑圓曲線上4跨一聯(lián)等跨徑布置的連續(xù)梁橋?yàn)槔?，?lián)端支承布置形式均為抗扭型支承)：

1) 全聯(lián)設(shè)置為獨(dú)柱墩支承(圖1a中所示)；

2) 全聯(lián)設(shè)置為獨(dú)柱墩偏心支承(圖1b中所示)；

3) 混合型支承布置方式(圖1c中所示)；

4) 全聯(lián)設(shè)置為抗扭型支承(圖d中所示)。

其中前2種在對(duì)經(jīng)濟(jì)、城市景觀等有較高要求的工程項(xiàng)目使用較多，第3種則在下穿道路設(shè)有中央綠化帶的工程項(xiàng)目中有較多的運(yùn)用，對(duì)經(jīng)濟(jì)美觀要求較小的工程則主要采用第4種。

圖1　下部結(jié)構(gòu)支承布置方式

在曲線梁橋受荷載作用，由于彎-扭耦合作用，主梁軸線會(huì)受到因曲率中心偏離主梁中心線的彎矩和扭矩帶來(lái)的雙重影響。在此，通過(guò)選取曲線梁段微元ds，已知曲梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的扭矩mt、豎向均布荷載為q，取A至B弧長(zhǎng)方向?yàn)檎较?如圖2中所示)，建立微段的平衡方程，方程如下：

2018年10月2日凌晨5時(shí)30分許，范某某在他提前部下的網(wǎng)具上收鳥時(shí)，被蹲守在山上的民警當(dāng)場(chǎng)抓獲，其違法獵捕國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物3只（2只存活，已放生），省重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物5只。

圖2　微段平衡示意圖

(1)

(2)

(3)

式中，不難發(fā)現(xiàn)在均布荷載作用下主梁跨中會(huì)在梁端產(chǎn)生較大的彎矩和扭矩，而在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，梁頂面均布荷載可以視作由自身恒載、橋面鋪裝及車輛均布荷載等多種荷載組合作用后的效應(yīng)值。因而，隨著均布荷載集度越來(lái)越大，主梁受彎-扭耦合作用帶來(lái)的影響逐漸增大，對(duì)全橋的承載穩(wěn)定性帶來(lái)的不利影響也趨于明顯。

由此，歸納出設(shè)置抗扭型支承方式和設(shè)置獨(dú)柱墩支承的多種支承方式下的主梁宏觀受力特征，多跨曲線梁橋受力具有以下特點(diǎn)：

1) 對(duì)于獨(dú)柱墩的下部布置方式，由于單支座不能向大地傳遞扭矩，墩頂梁截面扭矩會(huì)順延梁軸線傳遞至聯(lián)端支座上。

2) 對(duì)于獨(dú)柱墩偏心布置方式，通過(guò)主梁自身重力與支承軸線的偏心距輔助主梁的抗扭性能。然而，傾覆軸內(nèi)側(cè)自重變大，不平衡的自重偏心彎矩對(duì)端聯(lián)內(nèi)側(cè)支座帶來(lái)了拉力效應(yīng)。而此類支承方式在實(shí)際工程中能帶來(lái)的控制效應(yīng)有限，偏心設(shè)置也過(guò)于保守。

3) 對(duì)于混合布置和全抗扭支承的布置方式，由于中間抗扭支承可以承擔(dān)一部分扭矩，從而減輕聯(lián)端支座的受力。

2曲線梁橋的梁格法計(jì)算

2.1工程實(shí)際模型

分析模型選取某高速公路互通匝道橋，上部結(jié)構(gòu)為4×20 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，全聯(lián)位于半徑為60 m圓曲線的平面線形上，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h；設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)；橋面凈寬9 m；每跨跨中設(shè)中橫隔板，寬度0.3 m；聯(lián)端支座橫向間距為5 m，支座均采用盆式橡膠支座；橋型平面示意圖如圖3中所示，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖4中所示。

圖3　橋型平面布置(單位： cm)

圖4　箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面尺寸圖(單位： cm)

通過(guò)Midas-Civil橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立該聯(lián)主梁空間梁格計(jì)算模型，于圖5中示出。主梁計(jì)入最不利移動(dòng)荷載工況為沿最外側(cè)加兩車道偏載，同時(shí)計(jì)入整體升溫(整體降溫)、溫度梯度等標(biāo)準(zhǔn)工況，并對(duì)多種工況按照規(guī)范中承載能力極限進(jìn)行荷載組合，分析在4種不同的支承條件下結(jié)構(gòu)支座反力值、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況。

圖5　主梁梁格計(jì)算模型

2.2不同支承下支座反力值

根據(jù)主梁在不同支承邊界組下的荷載分布與支座反力值，統(tǒng)計(jì)得出各支承下的主梁支座豎向反力值，并匯總于表1中。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在曲線梁的“彎-扭耦合”作用效應(yīng)下，內(nèi)外側(cè)支座反力噸位大小不一，嚴(yán)重的時(shí)候內(nèi)側(cè)支座甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)反力的可能，形成實(shí)際工程中曲線梁橋的支座脫空病害。同時(shí)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)曲線梁外側(cè)支座的豎向支反力是內(nèi)側(cè)的2～5倍。不同的支承設(shè)置下，主梁內(nèi)外側(cè)支座反力的差值隨主梁設(shè)置抗扭支承的減少而增大。曲線梁橋的橫橋向支反力的不均的受力現(xiàn)象，是導(dǎo)致梁體發(fā)生傾覆的主要原因。

表1 支座豎向反力匯總kN類別抗扭型支承獨(dú)柱墩支承獨(dú)柱墩偏心支承混合型支承內(nèi)側(cè)外側(cè)內(nèi)側(cè)外側(cè)內(nèi)側(cè)外側(cè)內(nèi)側(cè)外側(cè)0號(hào)臺(tái)878.81814.6441.82293.3569.22413.8749.42086.21號(hào)墩1866.23359 5056.34873.34791.62號(hào)墩1956.22900.24566.54479.81518.43648.33號(hào)墩1865.33327 4899.15115.64694.84號(hào)臺(tái)915.11724.7479.92351.3564.92502.8757 1985.9

2.3不同支承下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

對(duì)于比較不同支承條件下主梁內(nèi)力分布，比較不同截面位置的主梁彎矩值，如表2中所示。分析發(fā)現(xiàn)：抗扭支承跨中正彎矩較獨(dú)柱墩大，墩頂處的負(fù)彎矩則同比較小，混合型支承下的主梁彎矩值位于兩者中間。其原因在于移動(dòng)荷載的偏載效應(yīng)以及溫度變化等荷載作用下會(huì)引起超靜定結(jié)構(gòu)次生附加內(nèi)力的產(chǎn)生，抗扭支承的邊界條件增加了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，使得主梁內(nèi)力進(jìn)一步增大。此外，梁格模型計(jì)算得到曲線梁內(nèi)外側(cè)腹板受力不均，驗(yàn)證了在自重作用下曲線梁外側(cè)腹板呈加載趨勢(shì)，內(nèi)側(cè)腹板呈卸載的受力模式。

表2 不同支承條件下主梁各截面彎矩值匯總(kN·m)類別第1跨第2跨第3跨跨中墩頂跨中墩頂跨中墩頂?shù)?跨跨中抗扭型支承8549-29297331-17387592-30019071獨(dú)柱墩支承8412-38366720-16275779-40448982獨(dú)柱墩偏心支承9056-36626953-15536316-37659151混合型支承8676-29667127-17387202-29648842

3曲線梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(征求意見稿)中對(duì)整體式斷面的中小跨徑梁橋上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性建議采用如式(4)進(jìn)行驗(yàn)算。

(4)

式中：γqf為上部結(jié)構(gòu)主梁的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；Ssk為極限荷載下上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值；Sbk為上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值。

對(duì)于曲線橋的傾覆，是在車輛荷載的傾覆彎矩作用下，一側(cè)受壓支座依次脫空，邊界失效而失去平衡傾覆的過(guò)程。規(guī)范中則提出曲線梁橋的抗傾覆能力提出選用式(5)進(jìn)行驗(yàn)算。

(5)

式中：RGixi為成橋狀態(tài)下的主梁的各個(gè)支座的支反力值；xi為各個(gè)支座到傾覆軸線的垂直距離；μ為沖擊系數(shù)； qk、Pk分別為移動(dòng)荷載的均布荷載值

與集中荷載值；Ω為主梁傾覆軸線與橫橋向加載車道間所圍成的面積；e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

通過(guò)比較4種支承條件下主梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)全聯(lián)采用抗扭型支承時(shí)上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最大，結(jié)構(gòu)最安全，獨(dú)柱墩支承方式主梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小，安全儲(chǔ)備最低，獨(dú)柱墩偏心支承方式的抗傾覆系數(shù)小于混合型支承方式，且兩者的穩(wěn)定性儲(chǔ)備值位于其他兩者之間。

4結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)實(shí)際工程中4種小半徑曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)支承方式進(jìn)行主梁內(nèi)力與抗傾覆性能的比較，借助有限元梁格法模型進(jìn)行分析并得出如下結(jié)論：

1) 工程中小半徑曲線梁橋的支承方式盡可能地采用抗扭型支承方式，以免發(fā)生曲線梁內(nèi)側(cè)卸載，外側(cè)加載的現(xiàn)象。在聯(lián)端相應(yīng)設(shè)置抗拔支座、高墩設(shè)置墩梁固結(jié)等措施，有效防止支座脫空和梁體傾覆，如果受條件限制也可以選擇獨(dú)柱墩與抗扭型支承交叉布置的形式。增加中間支承的數(shù)量能明顯增大上部結(jié)構(gòu)主梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

2) 小曲線半徑梁橋內(nèi)外側(cè)支座的豎向反力值相差較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分別對(duì)內(nèi)外側(cè)支座進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。以免造成外側(cè)支座的承載力不足而導(dǎo)致支座失效或者內(nèi)側(cè)支座噸位過(guò)大造成工程的不經(jīng)濟(jì)。

3) 對(duì)于支座布置，有條件時(shí)盡可能增大支座間間距，對(duì)于小半徑曲線梁窄橋，可適當(dāng)增大端部截面底板寬度來(lái)提高其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。施工期間支座埋設(shè)時(shí)，需與設(shè)計(jì)方嚴(yán)格核對(duì)支座約束的方向和活動(dòng)方向，保證主梁的合理變形。

4) 小半徑曲線梁橋主梁施工期間應(yīng)特別引起注意主梁頂面的不平衡堆載問(wèn)題，施工材料或施工機(jī)械等宜均勻放置。護(hù)欄等的施工順序，應(yīng)先澆筑內(nèi)側(cè)護(hù)欄，后澆筑外側(cè)護(hù)欄，以免由于施工偏載導(dǎo)致梁體發(fā)生傾覆。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0174-03

收稿日期:2016-05-25

作者簡(jiǎn)介:胡志穩(wěn)( 1979-) ，男，工程師，主要從事公路橋梁的設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：U 442.5+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A