不同支承形式的曲線梁橋受力分析

不同支承形式的曲線梁橋受力分析

1曲線梁橋的承接形式隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路和城市高速公路的建設(shè)日益增多，交叉口項(xiàng)目在道路和市政道路建設(shè)中越來(lái)越受到重視。曲線橋是實(shí)現(xiàn)每個(gè)方向交通連接的必要手段，曲線橋是實(shí)現(xiàn)交叉口工程中每個(gè)方向交通連接的必要手段。就總體布置而言,曲線梁橋可分為主線橋和立交匝道橋,主線橋因主線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高,交通量大,常采用大半徑,且單向橋?qū)捴辽?車道及以上。而受地形、地物和占地面積的影響,匝道橋往往為1車道或2車道以及交通需求量相對(duì)較小的窄橋,且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低,平面半徑小。這種形式的曲線梁橋受力狀態(tài)較為復(fù)雜,所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須對(duì)其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)有充分的了解,綜合考慮各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。下部結(jié)構(gòu)的支承形式對(duì)橋梁的受力、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和工程的造價(jià)都有很大的影響,在國(guó)內(nèi)曲線梁橋發(fā)生的事故中,因支承體系的設(shè)計(jì)不合理造成主梁翻轉(zhuǎn)而使支座脫空的占很大比例,給國(guó)家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。合理的選擇曲線梁橋的支承形式對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。較寬的曲線梁橋,平面半徑和支點(diǎn)反力一般比較大,支點(diǎn)多采用抗扭支承(多支座),橋梁體系的穩(wěn)定性相對(duì)要好些。下面僅對(duì)輕窄(橋?qū)払<10m)和曲線半徑較小(一般R<150m)的曲線梁橋中間支承形式的受力情況進(jìn)行分析,并通過(guò)計(jì)算示例進(jìn)行比較,得出不同的支承方式在曲線梁橋設(shè)計(jì)中的適用條件。2橫向水平力曲線梁橋除具有直線梁橋的受力特點(diǎn)外,還有在外荷載作用下產(chǎn)生彎扭耦合作用、內(nèi)梁和外梁受力不均、在活載或溫度變化等引起梁體變形的荷載作用下產(chǎn)生橫向水平力的受力特點(diǎn)。(1)相關(guān)系數(shù)的曲線梁橋受力曲線梁橋在外荷載的作用下會(huì)同時(shí)產(chǎn)生彎矩和扭矩,并且互相影響,使梁截面處于彎扭耦合作用的狀態(tài),其截面主拉應(yīng)力往往比相應(yīng)的直梁橋大得多。曲線梁橋由于受到強(qiáng)大的扭矩作用,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,其曲線外側(cè)的豎向撓度大于同跨徑的直橋;由于彎扭耦合作用,在梁端可能出現(xiàn)翹曲;當(dāng)梁端橫橋向約束較弱時(shí),梁體有向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢(shì)。(2)內(nèi)梁支點(diǎn)脫空，受力下降曲線梁橋由于存在較大的扭矩,因而通常會(huì)使外梁超載、內(nèi)梁卸載。由于內(nèi)、外梁的支點(diǎn)反力有時(shí)相差很大,當(dāng)活載偏置時(shí),內(nèi)梁支點(diǎn)甚至可能產(chǎn)生負(fù)反力,這時(shí)如果支座不能承受拉力,就會(huì)出現(xiàn)梁體與支座的脫離,即“支座脫空”現(xiàn)象。對(duì)箱梁而言,則是內(nèi)外腹板受力不均。(3)凝土收縮徐變以及溫度變化引起的橫向水平力汽車在曲線梁橋上行駛時(shí)會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生水平方向的離心力。預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變及溫度變化等引起的梁體變形,這些作用不僅對(duì)橋梁產(chǎn)生縱向水平力,也會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生橫向水平力。外荷載對(duì)橋梁產(chǎn)生的橫向水平力會(huì)增大梁體截面扭矩和橋墩彎矩,并使梁體產(chǎn)生橫向位移和平面轉(zhuǎn)動(dòng)。3中支點(diǎn)技術(shù)根據(jù)曲線梁橋的受力特點(diǎn),曲線梁橋的支承設(shè)計(jì)與直線梁橋不一樣,支承不僅要承擔(dān)豎向力,還要調(diào)整主梁扭矩,傳遞外荷載產(chǎn)生的橫向水平力,限制梁體橫向位移和平面轉(zhuǎn)動(dòng),保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。曲線梁橋的支承形式主要有點(diǎn)鉸支承、抗扭支承和固接支承3種,曲線連續(xù)梁橋一般是將點(diǎn)鉸支承和抗扭支承間隔布置,以減短受扭跨度,抗扭支承一般沿曲線的徑向布置。為消除梁端翹曲,曲線梁橋端支點(diǎn)常采用2個(gè)或以上的板式橡膠支座,組成抗扭支承,并加橫向限位措施。板式橡膠支座具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)和剪切變形能力,能夠提供一定的抗扭能力,對(duì)梁的扭轉(zhuǎn)約束較弱,恰好適應(yīng)曲線梁橋在預(yù)應(yīng)力、溫度變化等外荷載作用下,梁端變形較大,反力較小的特點(diǎn),而橫向限位措施則保證了結(jié)構(gòu)橫向位移不超出容許范圍。曲線梁橋中支點(diǎn)則常采用承載力較大的橫向固定盆式橡膠支座或墩梁固接,由墩柱和梁體的變形來(lái)承擔(dān)中支點(diǎn)橫向位移,既滿足中支點(diǎn)豎向反力大的特點(diǎn),也限制了橋梁橫向位移和平面轉(zhuǎn)動(dòng)。中支點(diǎn)支承形式的選用則要根據(jù)曲線梁橋的橋跨布置、橋墩高度、橋位地形等條件來(lái)綜合考慮確定。4調(diào)整端支點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整曲線梁橋橋墩較矮(一般H<8m)時(shí),橋墩雖然承受來(lái)自主梁的雙向水平力,但不會(huì)控制下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此時(shí)橋梁中支點(diǎn)的支承形式應(yīng)以降低主梁截面扭矩,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為目的來(lái)選擇。由于對(duì)相同截面橋墩而言,橋墩較矮,墩身剛度較大,為減少橋墩對(duì)梁體的約束,宜采用點(diǎn)鉸支承或抗扭支承,使橋墩只承受梁體豎向力和水平力,梁體在橫向和縱向也可以有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)。橋梁聯(lián)長(zhǎng)較小時(shí),一般在兩端設(shè)置抗扭支承,在中間設(shè)置點(diǎn)鉸支承,橋墩可做成獨(dú)柱橋墩,整體上布置美觀,占地較小,這在城市立交下部結(jié)構(gòu)布置受到限制時(shí)最方便。點(diǎn)鉸支承還可以根據(jù)梁體受力計(jì)算需要,設(shè)置支座偏心,調(diào)整端支點(diǎn)內(nèi)外支座反力和梁體截面扭矩,防止端支座脫空,增大結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。在點(diǎn)鉸支承曲線梁橋內(nèi),上部結(jié)構(gòu)偏心荷載產(chǎn)生的扭矩不能通過(guò)中間點(diǎn)鉸支承傳至基礎(chǔ),而只能通過(guò)兩端墩臺(tái)的抗扭支承來(lái)傳遞。在此情況下,中支點(diǎn)的作用只是起到減小彎曲長(zhǎng)度的作用,上部結(jié)構(gòu)的全長(zhǎng)成為彎橋的受扭跨度。這對(duì)于聯(lián)長(zhǎng)較大的曲線梁橋,會(huì)使上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)大的扭矩,控制了橋梁截面抗扭尺寸和剪扭鋼筋的設(shè)計(jì)。為減小此項(xiàng)扭矩的影響,比較有效的方法是通過(guò)在中間支點(diǎn)設(shè)置抗扭支承來(lái)縮短曲線梁橋的受扭跨度。橋墩布置受到限制時(shí),也可以采用加蓋梁的圓端形或矩形截面橋墩,設(shè)置雙支座抗扭支承。下面以(27+30+27)m預(yù)應(yīng)力曲線連續(xù)梁為計(jì)算示例,見圖1,曲梁中心平面半徑R=119.25m,頂板寬8m,底板寬5m,梁高1.7m,采用C50混凝土澆筑。兩端各采用2個(gè)板式橡膠支座,支座間距3.6m。中支點(diǎn)分別按點(diǎn)鉸支承、點(diǎn)鉸支承設(shè)偏心和抗扭支承(雙支座)3種情況,采用空間程序計(jì)算,端支點(diǎn)支座反力及截面內(nèi)力較大的中支點(diǎn)截面扭矩計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2。從表1和表2的計(jì)算結(jié)果可以看出:(1)點(diǎn)鉸支承在未設(shè)置偏心時(shí),在恒載(前4項(xiàng)荷載)作用下,端支點(diǎn)內(nèi)外支座反力相差較大,本例內(nèi)支座為882kN,外支座為1224kN,相差39%。這是由于在恒載作用下梁體產(chǎn)生向外翻的扭矩,使外支座反力增大,內(nèi)支座反力減小。曲線梁橋平面半徑越小,這種差別就越大。(2)端支點(diǎn)內(nèi)外支座反力可以通過(guò)中支點(diǎn)點(diǎn)鉸支承設(shè)置橫向偏心來(lái)調(diào)整,使兩者在恒載作用下基本相等,這種支承形式和偏心設(shè)置對(duì)邊跨較小或半徑較小的曲線梁橋設(shè)計(jì)尤為重要。本例采用0.2m外偏心后,恒載反力內(nèi)支座為1072kN,外支座為1055kN,相差不到2%。(3)設(shè)置抗扭支承后,減小了主梁抗扭跨度,截面自重扭矩相對(duì)點(diǎn)鉸支承小;但抗扭支承又限制了梁體的扭轉(zhuǎn),故在預(yù)應(yīng)力作用時(shí)扭矩增大。5固接承接墩內(nèi)彎矩的影響曲線梁橋橋墩較高(一般H>8m)時(shí),橋墩在主梁雙向水平力作用下,墩底彎矩增大,配筋增多,墩柱截面尺寸會(huì)控制下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此時(shí)橋梁中支點(diǎn)的支承形式應(yīng)在考慮主梁的同時(shí),兼顧下部結(jié)構(gòu)的受力來(lái)選擇。由于橋墩較高,墩身剛度較小,宜采用墩梁固接支承。固接支承橋墩對(duì)主梁有一定的約束,墩頂既可以承擔(dān)部分主梁的扭矩,也可以改善墩身彎矩的分布,使墩頂和墩底同時(shí)承受彎矩,減小了墩身彎矩峰值。墩梁固接還可以利用墩身橫向剛度,限制主梁的橫向位移,保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。有研究表明,具有剛性抗扭約束的支座上設(shè)置偏心不能改善梁內(nèi)的扭矩,但是如果橋墩雖然與梁固接,只要墩較高較柔,預(yù)設(shè)偏心仍有改善橋梁內(nèi)力和墩身受力的效果。因此墩梁固接仍可根據(jù)需要設(shè)置支承偏心,來(lái)調(diào)整端支點(diǎn)內(nèi)外支座反力和梁體截面扭矩。仍采用上面算例,考慮橋墩高度來(lái)比較點(diǎn)鉸支承和固接支承對(duì)橋墩內(nèi)力的影響,橋墩為?1.5m圓柱墩,采用C40混凝土澆筑,橋墩高度、支承形式和對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制的墩底彎矩計(jì)算結(jié)果見表3。從表3計(jì)算結(jié)果可以看出:(1)橋墩高度較矮時(shí),墩柱剛度大,固接支承墩柱對(duì)主梁的約束大,梁體變形引起的墩底縱向和橫向彎矩均較采用點(diǎn)鉸支承大得多。(2)橋墩較高時(shí),墩柱剛度變小,固接支承墩柱對(duì)主梁的約束減弱,墩柱受力有所改善。且墩頂也承受一定的彎矩,減小了外力對(duì)墩底的彎矩。(3)墩柱高度相同時(shí),梁體變形引起的墩底彎矩點(diǎn)鉸支承比固接支承小,但兩者承受的活載離心力相差不大,后者墩底彎矩較小。橋墩越高,兩者梁體變形對(duì)墩底產(chǎn)生的彎矩差異會(huì)減小,水平外力(活載制動(dòng)力和離心力)對(duì)墩底產(chǎn)生的彎矩差異會(huì)加大,固接支承優(yōu)勢(shì)會(huì)增大。6橋墩支架布置(1)由于曲線梁橋會(huì)承受較大的橫向水平力,建議中間支點(diǎn)多設(shè)幾個(gè)橫向固定支承或橫向限位措施,共同承擔(dān)橫向水平力,防止梁體因橫向位移或平面轉(zhuǎn)動(dòng)而與支座發(fā)生過(guò)大錯(cuò)位。(2)橋墩不高,曲線梁橋聯(lián)長(zhǎng)較小時(shí),中間橋墩宜采用點(diǎn)鉸支承,并根據(jù)需要設(shè)置支座偏心,調(diào)整梁端內(nèi)外支座反力和截面扭矩,既可以保證結(jié)構(gòu)安全,又能做到設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。特別對(duì)曲線梁橋中間橋墩布置受到占地限制和邊跨及半徑較小時(shí)更適用。(3)橋墩不高,曲線梁橋聯(lián)長(zhǎng)較大時(shí),中間支點(diǎn)宜采用點(diǎn)