山區(qū)高墩小半徑曲線箱梁橋設(shè)計

賀超，曾濤

[摘要]在一些山地城市，地形起伏較大，邊界條件復(fù)雜。在立交匝道橋中，常常會遇到高墩、小半徑、大縱坡的曲線梁橋。由于橋墩較高，為使整體方案更加經(jīng)濟合理，常常會使用跨徑更大的預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋。合理設(shè)計“支座間距、支座預(yù)偏心、橋墩橫向剛度、箱梁預(yù)應(yīng)力”均能改善曲線箱梁橋的受力。著重介紹上述措施對曲線箱梁橋的受力影響，力求結(jié)構(gòu)的設(shè)計和受力更加合理。

[關(guān)鍵詞]曲線梁橋； 支座間距； 支座預(yù)偏心； 預(yù)應(yīng)力設(shè)計

[中國分類號]U448.21+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

隨著國民經(jīng)濟和社會生產(chǎn)的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，城市交通也在快速發(fā)展?；ネ⒔唤煌ㄞD(zhuǎn)換功能強大、方便快捷，立交匝道線形優(yōu)美，越來越多地被運用在城市道路交叉節(jié)點。貴陽市作為貴州省的省會城市，同時也是典型的山地城市，交通擁堵問題也非常嚴(yán)重，為了緩解交通擁堵，貴陽修建了不少的城市道路，而在各城市干道的交叉節(jié)點，隨處可見形形色色的互通立交。由于天然的因素，地形高差較大，2條干道之間常常存在巨大的高差，加上立交位置邊界條件復(fù)雜，立交匝道展線困難，不可避免地會遇到高墩、小半徑、大縱坡于一體的情況。

有別于直線梁橋，在曲線梁橋［1］中，無論荷載偏心與否，都會產(chǎn)生彎扭耦合作用。另外，曲線箱梁橋在恒載、活載、溫度、收縮徐變等作用下彎剪扭耦合效應(yīng)很大，受力復(fù)雜。本文結(jié)合工程實例，對比分析在不同邊界條件下的混凝土曲線箱梁橋的受力情況，可以為同類型橋梁設(shè)計提供參考。

1工程概況

某立交匝道受地形條件和高差限制，匝道平曲線半徑R=45 m，匝道縱坡為i=6%，匝道寬度為B=10.5 m。由于地形高差較大，第一聯(lián)匝道橋從橋面到地面高度為77 m，為減少下部結(jié)構(gòu)的體量，使整體方案更加經(jīng)濟合理。結(jié)合現(xiàn)場情況和其他橋聯(lián)的布置情況，本聯(lián)橋采用3×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，中支點采用墩梁固結(jié)［2］，端支點設(shè)置抗扭能力更大的雙支座。箱梁采用單箱單室，腹板傾斜設(shè)置，梁高1.5 m，頂板寬10.5 m，底板寬5.5 m。腹板厚50～70 cm，頂板厚25 cm，底板厚22～42 cm。箱梁采用支架現(xiàn)澆施工。主梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面、橋梁關(guān)鍵截面及支座布置如圖1、圖2所示。

2有限元模型建立

橋梁中心線半徑R=45 m，橋梁中心線跨徑為3×25 m，采用單梁模型［3］計算誤差較大，已不再適用，本文計算時采用梁格法建立模型。箱梁為單箱單室，橫向劃分為2片梁，曲線外側(cè)簡稱外梁，曲線內(nèi)側(cè)簡稱內(nèi)梁。中支點墩梁固結(jié)，端支點設(shè)置雙支座。模型如圖3所示。

3曲線梁橋受力特性及影響因素分析

曲線梁橋由于其主梁重心線外移、曲線中心線與支點連線之間存在“弓弦”關(guān)系，在恒載和活載作用下均會產(chǎn)生扭矩。曲線梁橋受力復(fù)雜，最明顯的便是“彎剪扭”效應(yīng)。影響其受力的因素很多，本文主要討論“支座間距、支座預(yù)偏心、橋墩橫向剛度、箱梁預(yù)應(yīng)力”對曲線梁受力的影響，主要是橋梁的豎向受彎與受扭分析，然而主梁受扭比較直觀的體現(xiàn)便是梁端內(nèi)外側(cè)支座反力的大小。因而本文所選取的主要研究數(shù)據(jù)為主梁彎矩My和支座反力Fz。

3.1支座橫向間距對曲線梁受力影響分析

為分析支座橫向間距對曲線梁橋的受力影響，將支座橫向間距分別設(shè)置為2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m進(jìn)行對比，分析支座間距變化對不同荷載工況下曲線梁受力的影響。不同支座橫向間距下關(guān)鍵截面彎矩對比見表1，不同支座橫向間距下支座反力對比見表2（彎矩以下緣受拉為正、支座反力以受壓為正，下同）。

由表1和表2的數(shù)據(jù)對比可知，隨著支座間距的增大，中支點負(fù)彎矩有所減小，跨中正彎矩有所增大，但其變化值很小，基本可以忽略不計。所以梁端支座橫向間距的改變對改善主梁的縱向受彎效果十分有限。另外，隨著支座間距的加大，內(nèi)外側(cè)支反力逐漸趨于均勻。

3.2支座橫向偏心對曲線梁受力影響分析

為分析支座橫向偏心對曲線梁橋的受力影響，將支座橫向偏心距分別設(shè)置為0 m、0.25 m、0.5 m、0.75 m、1.0 m進(jìn)行對比，分析支座偏心距變化對不同荷載工況下曲線梁受力的影響。不同支座偏心距下關(guān)鍵截面彎矩對比見表3，不同支座偏心距下支座反力對比見表4。

由表3和表4的數(shù)據(jù)對比可知，梁端支座設(shè)置偏心同改變支座橫向間距一樣，對改善主梁的縱向受彎效果并不明顯，基本可忽略不計。但隨著支座間距的加大，內(nèi)外側(cè)支反力先是逐漸趨于均勻，然后隨著偏心距繼續(xù)增大，內(nèi)外側(cè)支反力再次逐漸趨于不均勻，對主梁的受扭影響較為顯著，但并非越大越有利，偏心距的大小需要經(jīng)過詳細(xì)計算確定。

3.3橋墩橫向剛度對曲線梁受力影響分析

對于山區(qū)高墩橋梁，風(fēng)荷載常常會控制設(shè)計。由于本文主要是研究對曲線梁的受力影響，這里僅討論橋墩橫向剛度變化對主梁受力的影響。

為分析橋墩橫向剛度對曲線梁橋的受力影響，將橋墩橫向尺寸分別設(shè)置為3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m進(jìn)行對比，分析橋墩橫向剛度變化對不同荷載工況下曲線梁受力的影響。不同橋墩橫向剛度下的關(guān)鍵截面彎矩對比見表5，不同橋墩橫向剛度下支座反力對比見表6。

由表5和表6的數(shù)據(jù)對比可知，隨著橋墩橫向剛度的加大，恒載作用下中支點負(fù)彎矩有所減小，跨中正彎矩有所增大，其變化值很小，基本可以忽略不計。但在橫向風(fēng)荷載作用下，無論是中支點還是跨中，其負(fù)彎矩均明顯減小，所以橋墩橫向剛度的改變對改善主梁的縱向受彎效果十分顯著。隨著橋墩橫向剛度的加大，內(nèi)外側(cè)支反力均有所增大，但對其均勻性影響很小，對主梁的受扭影響并不明顯。

3.4預(yù)應(yīng)力［4-5］對曲線梁受力影響分析

一般情況下預(yù)應(yīng)力布置主要有以下3種情況：

（1）全部采用通長束，內(nèi)外腹板對稱布置，對于直線梁橋或大半徑曲線梁橋是適用的。

（2）全部采用通長束，內(nèi)外腹板非對稱布置，對于小半徑曲線梁橋，內(nèi)外腹板受力差異較大，采用非對稱布置是合適的。

（3）鋼束采用長短束混合配置，內(nèi)外腹板非對稱布置，減少通長束的數(shù)量，在墩頂和跨中配置短束，對于小半徑曲線梁橋，內(nèi)外腹板受力差異較大，采用非對稱布置是合適的。

本文討論小半徑曲線梁橋，顯然采用第一種配束方式已不再合理。這里主要討論余下2種配束方式對主梁受力的影響。且以下數(shù)據(jù)對比的前提是在這兩種配束方式下，控制截面的拉壓應(yīng)力水平應(yīng)該是相當(dāng)?shù)模A(yù)應(yīng)力鋼束的配筋率也應(yīng)該是相當(dāng)?shù)?，預(yù)應(yīng)力鋼束布置數(shù)量見表7。不同預(yù)應(yīng)力配束下關(guān)鍵截面（墩頂上緣、跨中下緣）應(yīng)力對比見表8（受壓為負(fù)），不同預(yù)應(yīng)力配束下支座反力對比見表9。

由表8和表9的數(shù)據(jù)對比可知，在控制截面的拉壓應(yīng)力水平相當(dāng)、預(yù)應(yīng)力鋼束的配筋率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，采用長短束非對稱布置時，梁端內(nèi)外側(cè)支反力更為均勻，對主梁的抗扭更為有利。且鋼束用量相對減少，更為經(jīng)濟。

4結(jié)束語

曲線梁橋的受力較為復(fù)雜，本文只是討論了幾種因素下主梁的受力影響，就討論的幾種因素總結(jié)：

（1）梁端支座橫向間距的調(diào)整對梁端內(nèi)外側(cè)支反力均勻性影響明顯，建議在設(shè)計時盡可能地增大梁端支座間距。

（2）設(shè)置支座預(yù)偏心對主梁的受扭影響顯著，但并非越大越好，偏心距的大小需要經(jīng)過詳細(xì)的計算才能確定。

（3）本文只是討論了橫向風(fēng)荷載作用下主梁的受力影響，事實上在預(yù)應(yīng)力和其他橫向荷載作用下，墩頂均會產(chǎn)生徑向位移，改變橋墩橫向剛度，其實質(zhì)便是控制墩頂位移，從而達(dá)到改善主梁受力的目的。

（4）在小半徑的箱梁橋中，內(nèi)外側(cè)腹板受力差異明顯，應(yīng)考慮不同的預(yù)應(yīng)力配束方案。對于曲線梁橋，預(yù)應(yīng)力鋼束沿著箱梁彎曲布置，橫向受彎同樣明顯，采用長短束，減少腹板通長束，可以有效減小橫向彎曲效應(yīng)，使得梁端內(nèi)外側(cè)支座受力更均勻。另外采用非對稱布置，與內(nèi)外腹板不對稱受力相適應(yīng)，更為經(jīng)濟合理。而且橋聯(lián)越長，效果越明顯。

（5）總的來說，增加梁端支座間距、設(shè)置支座預(yù)偏心、選擇合適的橋墩尺寸、優(yōu)化箱梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計均能在一定程度上改善曲線梁橋的受力情況，有效預(yù)防主梁爬移［6］病害。

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