小半徑連續(xù)曲線箱梁橋設計要點

小半徑連續(xù)曲線箱梁橋設計要點摘要：直線梁橋復雜，為保證結構安全，其設計時需驗算的內容較直線橋多，尤其是箱梁剪扭組合驗算及腹板束防崩設計，應引起設計人員足夠的重視。本文結合某小半徑連續(xù)曲線箱梁橋的工程例子，按梁格法進行建模計算，并且總結了結構構造的處理措施。關鍵詞：小半徑；彎梁橋；梁格法；空間分析；1前言曲線梁橋在公路和城市立交橋的設計中，因為適應的方向線具有良好的能力，減少障礙，改變人力和材料成本，再加上曲率半徑小，造型美觀等優(yōu)點，是一種廣泛使用的橋型。由于地形條件和線性約束，對曲線梁橋小半徑曲線的出現是必然的，曲線梁橋與直梁橋的幾何特性相比，具有更復雜的幾何特性、決定了期更復雜的受力和變形特點。小半徑曲線梁橋不僅具有彎矩，扭矩，曲線梁橋的耦合作用，而且還有彎矩、扭矩的耦合作用，這給彎梁橋的結構設計及計算分析帶來較多的困難和不便。在本文中，結合小半徑連續(xù)曲線箱箱梁匝道橋的工程實例的半徑，通過計算和分析梁格法建模，結了結構構造的處理措施。2工程概況某匝道橋跨徑組成為4×25m，橋寬為16m。橋面鋪裝采用10cm厚的水泥混凝土。橋梁平面位于R=58m的圓曲線及A=40m的緩和曲線上?？v斷面位于縱坡為1.42%和－3.96%，半徑為1500m的豎曲線上。橋梁設計荷載等級為公路－Ⅰ級。以此為背景，通過結構計算分析，總結曲線箱梁受力特征，探討其受力特點及構造處理。3曲線梁上部結構受力特點立交匝道橋受多種因素的限制，橋面寬度窄且多為小半徑曲線橋，而且設置較大超高值；為了與兩側銜接，匝道橋往往設置較大縱坡且長度較大，因此匝道橋具有斜、彎、坡、異形等特點，給橋梁的線型設計和構造處理帶來很大困難。彎扭耦合效應是曲線梁橋力學性質的最大特點，曲梁在外荷載的作用下會同時產生彎矩和扭矩，并且互相影響，使梁截面處于彎扭耦合作用的狀態(tài)，其截面主拉應力往往比相應的直梁橋大得多，這是曲梁獨有的受力特點。彎梁橋由于受到強大的扭矩作用，產生扭轉變形，其曲線外側的豎向撓度大于同跨徑的直橋；由于彎扭耦合作用，在梁端可能出現翹曲；當梁端橫橋向約束較弱時，梁體有向彎道外側“爬移”的趨勢。在曲線梁橋設計中必須考慮足夠的抗扭剛度。而現澆箱梁以良好的結構受力性能和美觀特點成為曲線橋設計中常用的截面型式。箱梁要在橋跨范圍內設置一些橫隔板，以加強橫橋向剛度并保持全橋穩(wěn)定性。在截面發(fā)生較大變化的位置，要設漸變段過渡，減小應力集中效應。在進行配筋設計時要充分考慮扭矩效應，且應配置較多的抗扭箍筋。4結構計算模型曲線梁橋處于空間曲桿的受力狀態(tài)，正確分析其在恒載、活載及預應力作用下截面的受力狀態(tài)，十分復雜。目前較常采用曲梁單元分析法和梁格單元分析法。什么情況采用何種計算方法能滿足設計要求，對于結構的安全至關重要。一般當橋梁跨徑和寬度相比較大(一般達到3～4倍以上)，可以保證結構在荷載作用下除沿其跨度產生彎曲和扭轉外，橫截面的翹曲和畸變可以忽略不計時，可采用曲梁單元進行建模計算。該橋寬度較寬，采用曲梁單元進行建模計算顯然精度不能滿足要求，故采用梁格法進行建模分析。梁格法的實質就是用一個等效的平面梁格或空間構架來代替實際的上部結構。梁格的劃分對于不同的結構，有不同的規(guī)定，對于箱梁梁格劃分，一般假定梁格網格是在上部結構彎曲的主軸平面內，全部縱向構件均與縱向腹板相重合，采用這種布置可使腹板剪力直接由橫截面的同一點上的梁格剪力來代表。在實際程序計算時，有時為了加載的方便，采用沿箱梁懸臂邊緣設置虛梁的方法。對于橫梁的劃分間距，不宜取的太稀疏，一般取1/8跨徑左右，對于設置橫隔板的位置，必須設置橫梁。對于縱向梁格的慣性矩和截面模量必須繞整體上部結構的主軸來計算，在實際計算中，可以采用在箱梁頂底板不同位置切開的方法進行處理，使每個梁格的重心與主軸重合。對于橫梁的橫向彎曲，是頂板和底板一致的繞它們共同重心的水平中性軸而彎曲，在實際計算中，可以采用二字型或工字型(橫隔板處)斷面進行模擬。根據上述規(guī)則，該橋共劃分5條縱梁，其中2條虛梁用來加載，虛梁取兩側護欄的重心位置。橫梁間距按2m進行劃分，采用空間結構分析程序進行建模，共劃分為788個單元，11個施工階段。5曲線梁橋空間分析曲線橋橋型的受力特點與傳統(tǒng)的直線梁橋受力有很大不同，如何合理確定結構的支撐體系、支座位置設置及偏心調整、活載內力和偏載對結構受力的影響都是工程師們重點考慮的問題。曲梁計算方法主要有：梁格系分析法、基于變分原理的解析法、基于數值分析的有限元法。在工程實踐中，梁格法以易于程序化及操作相對簡便、易于理解而得到了較多的使用。其基本思路是將橋梁上部結構離散為一個剛度近似等效的梁格體系代替，分析這種等效的梁格后再將其結果還原到原結構中得到所需的計算結果。梁格法將上部梁結構用等效的梁格來模擬，對鋼筋混凝土結構而言，一般按縱向、橫向雙向配筋，而且混凝土泊松比較小，用梁格法計算出的縱、橫向彎矩對結構設計精度應該是足夠的；同時如果梁格網格足夠密時，計算出的翹曲效應也能夠等效反應實際情況。梁格法的應用也比較廣泛，如：實體板結構、異型板結構、空心板結構、單多室箱梁結構等。梁格單元劃分的疏密程度，直接影響到結構模型的計算精度。理論上講，網格劃分的越密，越能代表真實結構，但是帶來的問題是工程實際應用的不便利。所以，在工程實踐中要找到一個既能反映結構受力特性又運用方便的梁格劃分原則。主要影響梁格法精度的有縱梁間距、虛擬橫梁間距等。經試算并分析得出箱型截面梁梁格法單元劃分按照以下幾個原則進行：1）縱向梁格間距取2～3倍梁高，實際結構的縱肋作為縱向梁格的中心線。2）橫向梁格間距與縱向基本一致，橫向虛擬梁保證模擬梁格與實際結構的力學特性基本一致。3）在受力較大部位或內力突變處，應加密梁格劃分；橫、縱向梁格盡量做成直角。梁格法以簡便而相對可靠準確的優(yōu)點，適合工程技術人員使用。但是也存在一些問題，即不能考慮剪力滯、扭轉、畸變產生的截面翹曲，須要在設計中用三維程序進行復核計算，力求計算準確。就上述工程實例，本設計同時采用三維空間程序MADIS進行復核計算，兩種程序組合作用下對比計算數據如表1所示（表中數值為絕對值，單位：kN·m）表1兩種程序計算數據對比根據上述計算結果，梁格法和三維空間程序計算相比在荷載效應上均有一定的差異，最大差值在20%以內。產生這種差異的主要原因在于，梁格法將連續(xù)的箱型結構拆分為梁格體系，整體剛度減小，結構內力分配發(fā)生了變化；同時其橫向聯系減弱，使得梁格法的計算結果與三維實體有限元計算結果出現出入。在實際工作中，由于梁格法無法體現剪力滯等效應，無法進行細部應力分析，這些都需要有空間程序來彌補。但是梁格法建立模型及前后處理簡單易行，計算相對簡便而且計算結果相對可靠的特點，使其在工程實踐中尤其是初步設計階段仍得到廣泛應用，而在施工圖設計階段應與三維空間計算進行復核校對。6結構構造措施在曲線梁橋設計中，必須充分重視結構構造的處理，采取必要的結構構造措施。構造設計處理的不當，直接影響到橋梁的安全。根據上述分析結果所發(fā)現的問題及多年的工程實踐經驗，歸納結構構造措施主要包括以下幾點:(1)有條件時，盡量把箱梁底板寬度做寬，如果懸臂長度受到限制，不能加寬底板，宜在聯端采用橫向加寬端橫隔板的方法，使梁端支座盡量向兩側懸出。這樣可以增強箱梁的抗扭強度，使箱梁內外側支座受力更加均衡。(2)為了減少箱梁的翹曲和畸變變形，增加箱梁的橫向剛度，內半徑小于240m，跨徑小于30m的彎箱梁應設跨間橫隔板，橫隔板一般設在跨中位置，厚度宜在25～30cm。(3)曲線梁橋由于半徑較小，鋼束的摩阻損失一般比較大，所以在設計曲線橋梁時，鋼束長度不宜太長。為了減少摩阻損失，建議曲線橋梁盡量采用塑料波紋管。同時宜采用真空壓漿，以提高預應力管道的壓漿質量。(4)箱梁普通鋼筋的配置，應盡量滿足抗扭的需要，抗扭縱筋和箍筋應根據計算結果適當加強。對于箱梁頂、底板橫向鋼筋和箱梁箍筋應進行對應布置、焊接或綁扎成一個閉合框架，以確保全截面能共同工作，從而提高曲線箱梁的抗剪尤其是抗扭性能。(5)對于預應力鋼筋混凝土曲線梁橋，在布置鋼束時，鋼束宜適當向曲線外側布置，適當加大曲線內側波紋管的混凝土保護層厚度。為了防止鋼束在張拉時從腹板內崩出，沿鋼束長度應設置足夠數量的防崩鋼筋。設置普通鋼筋時，腹板內、外側鋼筋宜設置拉筋，使內、外側鋼筋同時受力，保證箱梁的安全。(6)對于中間支點為單支承的曲線梁橋，應根據計算，設置適當的預偏心。若非條件所限，為了保證結構在偏載作用下的穩(wěn)定，應盡量避免單點支撐設計。7結語相對于直線橋梁來說，曲線橋梁結構計算及設計較為復雜。在實際計算分析和結構設計時，一方面，根據橋梁的具體情況，選用合適的計算方法，確保計算結