預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁受力特征與設(shè)計(jì)分析

錢大高

(安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥　230088)

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預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁受力特征與設(shè)計(jì)分析

錢大高

(安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：受橋下使用功能影響，斜轉(zhuǎn)正橋梁越來(lái)越多的出現(xiàn)在工程實(shí)例中，其中預(yù)制結(jié)構(gòu)斜轉(zhuǎn)正橋梁通過(guò)調(diào)整梁長(zhǎng)的方式可方便實(shí)現(xiàn)橋梁上部角度變化需要，具有技術(shù)成熟、施工周期短、不影響交通等優(yōu)勢(shì)，但其受力上具有明顯不利彎扭效應(yīng)。采用梁格法建立一典型斜轉(zhuǎn)正橋梁有限元模型，分析其受力特征及產(chǎn)生因素，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)闡述了斜轉(zhuǎn)正橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，可供同行參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)制；斜轉(zhuǎn)正；梁格法；彎扭效應(yīng)

0前言

城市道路較為密集，被交路與主線斜交的情況常常出現(xiàn)。在橋長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，整橋采用斜橋不盡合理，而采用正交加大跨徑的方式往往也存在諸多不足。對(duì)上跨斜交路橋聯(lián)采用斜轉(zhuǎn)正方式的橋梁，則是一種優(yōu)秀的問(wèn)題解決方案，故而斜轉(zhuǎn)正橋梁越來(lái)越多地出現(xiàn)在工程實(shí)例中。斜轉(zhuǎn)正橋梁根據(jù)施工方式一般有現(xiàn)澆及預(yù)制結(jié)構(gòu)兩種形式，其中預(yù)制結(jié)構(gòu)斜轉(zhuǎn)正橋梁通過(guò)調(diào)整梁長(zhǎng)的方式可方便實(shí)現(xiàn)橋梁上部角度變化需要，同時(shí)具有施工技術(shù)成熟、施工周期短、吊裝無(wú)支架施工及不影響橋下通行等優(yōu)勢(shì)，但預(yù)制結(jié)構(gòu)斜轉(zhuǎn)正橋梁因截面尺寸小、截面剛度集中于豎向，橫向截面較為薄弱、斜交角彎扭效應(yīng)等導(dǎo)致預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁驗(yàn)算較難滿足規(guī)范要求。

梁格法將橋梁結(jié)構(gòu)比擬成由縱梁與橫梁組成的梁格單元，假定把上部結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭剛度集中到最鄰近的梁格內(nèi)，縱向剛度集中到縱向構(gòu)件內(nèi)，橫向剛度集中到橫向構(gòu)件內(nèi)，實(shí)現(xiàn)等效梁格體系與原型結(jié)構(gòu)實(shí)際截面的彎矩、剪力及扭矩、應(yīng)力結(jié)果相近，[1]在單元?jiǎng)澐志茸銐蚣案鲉卧吔缂s束模擬合理的情況下，該方法可滿足一般結(jié)構(gòu)計(jì)算精度的要求。

1結(jié)構(gòu)建模

1.1 橋梁概況

某高速公路主線等寬橋梁，上部結(jié)構(gòu)為3×25m斜轉(zhuǎn)正預(yù)制連續(xù)箱梁，半幅橋全寬12.15m，單幅橋橫向布置4片梁，梁間距2.95m，邊梁懸臂1.65m，梁高1.4m，自起始0號(hào)支點(diǎn)至3號(hào)支點(diǎn)交角分別為0°、10°、20°、30°，橋墩交角變化通過(guò)調(diào)整預(yù)制梁長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)，橋梁中支點(diǎn)采用板式橡膠支座，端支座采用滑板支座。

1.2分類計(jì)算模型對(duì)比

梁格理論對(duì)于正交橋梁適用性良好，因本橋采用逐孔漸變斜交，與常規(guī)正交橋梁有所區(qū)別，為驗(yàn)證梁格法的適用性，分別采用簡(jiǎn)化平面桿系、簡(jiǎn)化梁格法及空間實(shí)體法三種分析方法對(duì)橋梁建模分析。[1]單梁及梁格采用midas civil程序，實(shí)體采用midasfea程序，單梁模型分別計(jì)算4道獨(dú)立縱梁;梁格將全橋劃分為縱梁、橫梁模擬斜交橋梁受力；實(shí)體模型則按小箱梁實(shí)際截面建模，為簡(jiǎn)化計(jì)算三種計(jì)算模型僅考慮自重及鋪裝效應(yīng)，不考慮鋼束、溫度及收縮徐變引起的效應(yīng)，從不同模型分析支點(diǎn)反力結(jié)果來(lái)看，單梁模型在支點(diǎn)0、1各支座反力吻合較好。隨著斜交角度增大，在支點(diǎn)3處與實(shí)體模型出現(xiàn)最大13.8%偏差，且未體現(xiàn)出斜橋的反力特性;梁格法其支座反力呈現(xiàn)出斜橋效應(yīng)，且支點(diǎn)0、1各支座反力偏差較小，與實(shí)體模型最大偏差為6.1%，故本采用簡(jiǎn)化梁格法建立力學(xué)模型合理可行。

1.3梁格模型

自起始支點(diǎn)開(kāi)始由0°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°斜交，其結(jié)構(gòu)與正交橋及常規(guī)斜交橋存在較大差異。從構(gòu)造上體現(xiàn)為一端正交一端斜交，梁長(zhǎng)各不相同，預(yù)應(yīng)力作用區(qū)域存在差別，故結(jié)構(gòu)計(jì)算采用梁格法，[2]計(jì)算程序采用midas civil8.2.1空間有限元分析軟件。針對(duì)上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，[3]劃分邊梁及中梁為縱梁結(jié)構(gòu)單元，端橫梁及中橫梁按實(shí)際截面模擬為橫梁?jiǎn)卧?，橋面板均按正向劃分?.7m寬條的無(wú)重虛擬橫梁，各橫梁與縱梁節(jié)點(diǎn)剛接。

1.4荷載及組合工況

設(shè)計(jì)荷載主要內(nèi)容及荷載加載注意事項(xiàng)：

(1)結(jié)構(gòu)自重荷載，分次張拉正、負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束荷載；

(2)橋面二期鋪裝荷載及護(hù)欄，其中護(hù)欄荷載按偏心荷載加載于邊梁；

(3)收縮徐變荷載[3]:收縮徐變荷載按實(shí)際混凝土加載，橫梁收縮徐變荷載通過(guò)橫向聯(lián)系作用于縱梁；

(4)支座不均勻沉降，各支點(diǎn)均按沉降5mm考慮；

(5)車道荷載按公路-I級(jí)考慮，分布按左偏及右偏車道加載。

組合工況根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[4]進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)基本組合，正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)及長(zhǎng)期效應(yīng)，正常使用極限狀態(tài)短暫狀況效應(yīng)組合等。

2結(jié)果及受力特征分析

根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果，主要查看其支點(diǎn)反力、彎矩My、彎矩Mz及扭矩在恒載及活載作用下的分布情況，得出其結(jié)構(gòu)受力特征。

2.1汽車荷載作用下支座反力

汽車荷載作用下支座反力見(jiàn)表1，根據(jù)反力值可見(jiàn)在恒載作用下，呈現(xiàn)明顯的鈍角反力大于銳角反力情況。反力不均勻分布效應(yīng)產(chǎn)生原因則為縱梁扭矩分布，而縱梁產(chǎn)生扭矩主要原因則為:邊梁形心與支點(diǎn)平面不重合、各梁跨徑不同引起的豎向撓曲偏差、護(hù)欄荷載偏心及橫梁剛度對(duì)負(fù)彎矩鋼束平面斜向布置約束及汽車荷載作用等，同時(shí)支座約束型式及布置方式對(duì)斜轉(zhuǎn)正橋梁內(nèi)力及反力影響較大，在結(jié)構(gòu)模型分析時(shí)應(yīng)選擇合理的支座約束方式。

表1　汽車荷載作用下支座反力表

2.2彎矩分布特征

斜橋另一受力特性為豎向最大彎矩向鈍角方向偏移，同時(shí)在跨中產(chǎn)生較大的橫向彎矩。在成橋狀態(tài)下，恒載產(chǎn)生的豎向最大彎矩在第三跨明顯向鈍角端靠近，但橫向最大彎矩卻位于鈍角側(cè)邊梁墩頂位置，在墩頂位置產(chǎn)生向外橫向彎矩峰值，同時(shí)整體溫度荷載、汽車荷載及不均勻沉降荷載均在此處產(chǎn)生橫向彎矩峰值，故而導(dǎo)致邊梁支點(diǎn)截面尤其是鈍角側(cè)邊梁支點(diǎn)2產(chǎn)生較大橫向彎矩值。而該橫向彎矩值在單梁模型分析中是不存在的，故而導(dǎo)致該截面在豎向、橫向彎矩作用下出現(xiàn)應(yīng)力峰值。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，該橫向彎矩峰值在負(fù)彎矩張拉之前幾乎為零值，但負(fù)彎矩鋼束張拉后該值隨即出現(xiàn)，并隨收縮徐變二次效應(yīng)逐漸增加，成橋階段活載作用下，該值均出現(xiàn)與恒載效應(yīng)類似的峰值。由此可得出橫向彎矩峰值，主要產(chǎn)生原因有:負(fù)彎矩平面斜向平行布置且與縱梁形心存在平面偏差，鋼束張拉后通過(guò)橫梁傳遞平面彎矩，二期恒載施加后，橫梁用于平衡各梁彎矩及扭矩，使結(jié)構(gòu)受力線性變化，而中橫梁截面剛度較大，相對(duì)于支點(diǎn)截面可視為橫向剛性約束，傳遞的荷載效應(yīng)最大，故而導(dǎo)致該處呈現(xiàn)峰值。計(jì)算結(jié)果表明，在正常使用狀態(tài)短期效應(yīng)組合下，縱梁墩頂支點(diǎn)橫向彎矩的效應(yīng)峰值達(dá)到235 kN·m，其對(duì)截面頂點(diǎn)左右側(cè)應(yīng)力影響極為明顯，而單梁模型不能得到該值，故常規(guī)單梁模型計(jì)算方法已不適應(yīng)本橋。

2.3扭矩分布特征

因斜轉(zhuǎn)正橋梁各梁跨徑不同，各梁截面形心高度差異，梁截面在產(chǎn)生豎向彎曲時(shí)，不同主梁曲率的影響，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，橫梁則通過(guò)截面剛度橫向傳遞平衡扭矩，并對(duì)縱梁相應(yīng)產(chǎn)生彎矩重分布，形成明顯的彎扭耦合效應(yīng)，斜交角度越大，縱梁不論是邊梁還是中梁扭矩越大，且在橫梁作用下整跨橋梁空間呈整體扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，活載產(chǎn)生的縱梁扭矩與恒載扭矩分布規(guī)律基本類似，最終扭矩峰值為支點(diǎn)2右邊梁墩頂位置，扭矩效應(yīng)的存在引起支座反力偏差、墩頂彎矩及跨中彎矩的彎橋特性。在結(jié)構(gòu)分析階段應(yīng)合理考慮截面形心位置、荷載加載方式及預(yù)應(yīng)力鋼束配置位置，以改善縱梁扭矩效應(yīng)。

2.4應(yīng)力結(jié)果

橋梁使用階段長(zhǎng)期效應(yīng)組合下縱梁正截面最小壓應(yīng)力為0.34MPa，荷載短期效應(yīng)組合下縱梁正截面最大拉應(yīng)力-1.76MPa，短期效應(yīng)組合下斜截面最大主拉應(yīng)力-1.83MPa，使用階段極限狀態(tài)正截面最大壓應(yīng)力為16.06MPa，使用階段極限狀態(tài)斜截面最大主壓應(yīng)力為16.09MPa。截面正應(yīng)力峰值主要出現(xiàn)在斜交墩頂位置，主拉應(yīng)力峰值則出現(xiàn)墩頂及負(fù)彎矩鋼束錨固點(diǎn)處，跨中截面及梁底截面應(yīng)力情況良好，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮支點(diǎn)墩頂及負(fù)彎矩鋼束錨固點(diǎn)處截面應(yīng)力控制。

2.5結(jié)構(gòu)抗力驗(yàn)算

斜轉(zhuǎn)正預(yù)制梁橋因部分梁長(zhǎng)超出常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁，故本橋?qū)︻A(yù)制梁長(zhǎng)的縱向主筋及墩頂連續(xù)段主筋進(jìn)行了加強(qiáng)，并加強(qiáng)了縱梁腹板箍筋。驗(yàn)算結(jié)果表明，本橋在承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)豎向彎矩My抗力、剪力Fz均大于荷載基本組合下的荷載彎矩及剪力設(shè)計(jì)值，并預(yù)留相應(yīng)抗力富余。

3預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋設(shè)計(jì)探討

預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋受力特性與正橋存在較大區(qū)別，針對(duì)此類橋梁設(shè)計(jì)總結(jié)以下設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)以供探討：(1)預(yù)制結(jié)構(gòu)梁格劃分一般以預(yù)制梁為縱梁劃分邊界，因邊梁截面非對(duì)稱，建模時(shí)應(yīng)合理確定濕接縫寬度，使邊梁形心盡量與鋼束作用中心重合，以減小橫向彎矩作用；(2)結(jié)構(gòu)內(nèi)力受邊界約束條件影響，邊支點(diǎn)選用滑板支座，可改善鋼束、收縮徐變等二次內(nèi)力冗余作用；(3)不同縱橫桿件剛度約束導(dǎo)致梁格對(duì)溫度荷載及收縮徐變荷載非常敏感，模型應(yīng)考慮以精確模擬不同齡期混凝土收縮徐變影響，該影響有利于減小虛擬橫梁產(chǎn)生的橫向彎矩內(nèi)力；(4)各跨梁長(zhǎng)不同，正彎矩鋼束應(yīng)根據(jù)跨徑合理選擇配束形式；橋梁頂板鈍角、銳角負(fù)彎矩值相差較大，負(fù)彎矩鋼束設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)不同墩頂位置區(qū)別設(shè)計(jì)；(5)斜轉(zhuǎn)正橋縱梁承受扭彎作用，當(dāng)構(gòu)件共同承受剪扭時(shí)，抗剪性能受扭矩影響而降低，[4]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗剪箍筋及縱向腹板鋼筋構(gòu)造；(6)墩頂截面出現(xiàn)較大橫向彎矩，針對(duì)縱梁墩頂截面可按實(shí)心截面考慮，構(gòu)造上可適當(dāng)加強(qiáng)腹板側(cè)面鋼筋；(7)彎扭效應(yīng)與斜交角成正比，引起同一墩頂不同位置支座反力偏差，支座選型須根據(jù)不同支點(diǎn)反力區(qū)別選定。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一典型預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁的結(jié)構(gòu)分析，闡述預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁的受力特征，分析其受力特性產(chǎn)生原因，結(jié)合工程實(shí)例總結(jié)了預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的設(shè)計(jì)事項(xiàng)，對(duì)于預(yù)制斜轉(zhuǎn)正類型橋梁的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定借鑒作用。

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責(zé)任編輯：文月

收稿日期：2016-03-17

作者簡(jiǎn)介：錢大高(1975-)，男，安徽樅陽(yáng)人，工程師，研究方向?yàn)槁窐蚬こ碳夹g(shù)。

中圖分類號(hào)：U441+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8275(2016)04-0136-03

Analysis on Force Characteristics and Design of the Precast in Transferring Skew into Orthogonality

QIANDagao

Abstract:With the function effect of bridge, transferring skew into orthogonality has become more and more often used in engineering projects. The prefabricated structure by adjusting the length of beam can be convenient to realize angle change of bridge, with the advantages of mature technology, short construction period,and no affecting the traffic. But it has adverse flexural-torsional effect. The paper uses the beam grillage method to establish a finite element model, analyzes the mechanics characteristics and factors, elaborates design considerations related to transferring skew into Orthogonality. For reference to the same occupation.

Key words:precast；transfer skew into orthogonality；beam grillage method；flexural-torsional effect