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(jì)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(jì)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(shí)對(duì)道路線型的適應(yīng)性，在城鎮(zhèn)立交設(shè)計(jì)及公路路網(wǎng)交叉節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)過程中的注意事項(xiàng)及解決方法，為同類橋型的設(shè)計(jì)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(shí)在部分交通節(jié)點(diǎn)需修建互通立交。在道路線型設(shè)計(jì)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(shí)，常規(guī)的設(shè)計(jì)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(shí)，往往需要采用整體現(xiàn)澆連續(xù)彎箱梁橋以滿足設(shè)計(jì)的需要。相對(duì)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(shí)曲線梁外觀柔美輕快，線型生動(dòng)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(jì)過程中，有針對(duì)性地對(duì)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(shí)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(duì)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(jì)時(shí)，需采取相應(yīng)的措施以減小耦合作用對(duì)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(shí)也會(huì)影響墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。當(dāng)內(nèi)外反力差很大時(shí)，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(huì)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(jì)及支座布置時(shí)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(jì)不合理或使用階段維護(hù)不當(dāng)時(shí)，梁體將會(huì)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(duì)曲線梁橋進(jìn)行全面的分析及可靠的設(shè)計(jì)。

2　彎箱梁橋可靠性設(shè)計(jì)

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

2.1合理布置橋跨

對(duì)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(shí)，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(jì)

在以往的箱梁設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸如頂?shù)装濉⒏拱宓染O(shè)計(jì)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(jì)頂?shù)装寮案拱搴穸?，腹板厚度不宜小?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(jì)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(huì)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(duì)建筑空間有更好的應(yīng)用性，但梁體及墩臺(tái)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(jì)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(tái)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(jì)算對(duì)比分析，找出使梁體及墩臺(tái)受力最均衡的約束方式。

2.4整體抗傾覆設(shè)計(jì)

對(duì)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?？箖A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(tái)外側(cè)支座連線內(nèi)側(cè)時(shí)，傾覆軸線為橋臺(tái)外側(cè)支座連線；（2）當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺(tái)外側(cè)支座連線外側(cè)時(shí)，傾覆軸線取為一橋臺(tái)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(jì)算[5]：

式中：RGi為成橋狀態(tài)時(shí)各個(gè)支座的支反力；xi為各個(gè)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(jì)的理念后，下面以一實(shí)際工程為例對(duì)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(hào)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(jí)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(hào)、3號(hào)墩設(shè)置10 cm向曲線外側(cè)偏心；在1號(hào)、2號(hào)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(tái)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(jì)算。全橋共劃分為96個(gè)單元，113個(gè)節(jié)點(diǎn)（其中包含16個(gè)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(hào)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(jì)算分析

3.3.1支反力計(jì)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(jì)算結(jié)果匯總表　kN

3.3.2扭矩計(jì)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(duì)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(jì)算

根據(jù)上述彎箱梁抗傾覆計(jì)算理論，選定結(jié)構(gòu)傾覆軸軸線，建立抗傾覆計(jì)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(jì)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(jì)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。

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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(jì)工作。