RC連續(xù)彎箱梁橋溫度荷載下的位移計算及預(yù)防措施精

1、總第211期2005年第4期交通科技RC連續(xù)彎箱梁橋溫度荷載下的位移計算及預(yù)防措施張1,2胡兆同1周敉1蔡建明3(1.長安大學橋梁與隧道陜西省重點實驗室西安710064;2.西安科技大學建筑與土木工程學院西安710054;3.浙江省衢州市交通設(shè)計院衢州324002)摘要以320國道某實際工程為背景,利用空間有限元軟件ANSYS計算由溫度變化引起的鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁橋的不利變形,從設(shè)計和構(gòu)造兩方面提出預(yù)防溫度變化引起的鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁橋梁體外移的措施。關(guān)鍵詞鋼筋混凝土彎箱梁橋徑向外移變形鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁目前多為城市立體交叉工程中的常用橋型。但由于環(huán)境和日輻射等作用,該型橋通常會產(chǎn)生溫度

2、變形,從而出現(xiàn)以下病害:梁體向曲線外側(cè)的位移量逐年增加,有脫落、失穩(wěn)的可能;結(jié)構(gòu)徑向變位,支座環(huán)向開裂而失效空,使結(jié)構(gòu)成為不穩(wěn)定體系;采用板式橡膠支座的彎箱梁橋,由于溫度變化使梁體發(fā)生偏轉(zhuǎn)變形,但梁體升溫時向外側(cè)的線位移在降溫時不能完全恢復(fù),形成向外側(cè)的殘余線位移逐漸向外翻轉(zhuǎn)的累積變形,從而造成內(nèi)側(cè)支座脫空。故溫度影響已逐漸成為影響彎梁橋梁體位移的主要因素。本文針對這一現(xiàn)象以某一工程為背景,利用有限元程序ANSYS分析計算了溫度荷載對RC連續(xù)彎箱梁橋變形的影響,從設(shè)計和構(gòu)造兩方面提出預(yù)防此類橋梁出現(xiàn)不利梁體位移的措施。1溫度變化引起彎箱梁橋外移分析影響不大,1,關(guān)鍵問2,另一方。由于圓心角變化

3、很小,分析時可以忽略,只考慮曲線半徑的變化。梁體外移現(xiàn)象一般都發(fā)生在夏天持續(xù)高溫階段,在溫度力和日照溫度荷載的長期反復(fù)作用下,由于梁體變形不能自己回復(fù),故會出現(xiàn)較大的平面累計位移,當平面位移累積到一定程度以后,對設(shè)有抗扭支承的連續(xù)彎箱梁橋來說,會導(dǎo)致抗扭支座的內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,而且由于溫度的變化會在橋梁平面內(nèi)產(chǎn)生一個不平衡的旋轉(zhuǎn)力矩,如不采取措施梁體就有可能出現(xiàn)傾覆。日照溫差的水平分力會導(dǎo)致梁體發(fā)生突然的變位;反之當溫度下降時,梁體長度減小,就不會產(chǎn)生外移,所以降溫對梁體是有利的。因此梁體的橫橋向累計位移是造成梁體外移的主要原因。溫度變化對彎箱梁橋梁體變位的影響是很復(fù)雜的,因為:溫度是隨時

4、間、地點變化的,計算時要根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料找出最不利的情況;支座的精確模擬也是十分困難的。但在實際工程中,可以采用文獻2所述方法計算每個支座處的最大外移量,以此計算結(jié)果作為構(gòu)造設(shè)計的參考依據(jù)之一,同時在構(gòu)造上采取措施限制由于溫度而引起的不利梁體位移。本文利用工程實測溫度和有限元程序來計算梁體的位移。連續(xù)彎箱梁橋的變形可分為豎向變形、轉(zhuǎn)角變化、翹曲變形和平面內(nèi)變形。豎向變形、轉(zhuǎn)角變化等與荷載作用有關(guān);平面內(nèi)變形與溫度變化和混凝土收縮、徐變等有關(guān)。梁體的外移主要與平面內(nèi)變形有關(guān),豎向變形、轉(zhuǎn)角變化等對梁的外移收稿日期:200520320432張等:RC連續(xù)彎箱梁橋溫度荷載下的位移計算及預(yù)防措施200

5、5年第4期2實橋溫度變形的有限元計算2.1實橋簡介座不會滑動,小于零表示支座會滑動。表2各墩頂在恒載+溫度荷載組合下的支反力計算表位置支反力50號外0號內(nèi)1號15.12號24.43號4號外4號內(nèi)21.715.1-1.93本文以某實橋作為計算對象,跨徑組成為19.97m+2×20m+19197m等截面圓弧連續(xù)曲線箱梁橋,曲線半徑R=60m。梁體兩端設(shè)置抗扭支座,各中墩采用獨柱支撐。根據(jù)實測溫度場,采用如下溫度荷載:整體升溫30,主梁上下緣34溫差10。注:負號表示支座產(chǎn)生負反力,此時支座處于脫空狀態(tài)。表3溫度荷載作用下各墩頂內(nèi)、外側(cè)腹板位移量計算表位移0號外0號內(nèi)1.7441號外-1.

6、0531號內(nèi)1.0772號外-1.089mm墩號2.2有限元模型建立及基本假定5徑向-0.208本文采用三節(jié)點和四節(jié)點的板單元來模擬具有一定曲率的腹板和梁體,利用此單元建立有限元模型后定義材料性能參數(shù):彈性模量E=3.3×1010N/m2,線膨脹系數(shù)=1×10-5/,泊松比=0.167,密度=2400kg/m3,然后在創(chuàng)建的幾何模型上劃分網(wǎng)格。本模型結(jié)構(gòu)模擬時所有塊體尺寸與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)實體尺寸一致,為了將單元數(shù)控制在軟件允許的范圍內(nèi),橋跨方向及橫截面單元劃分采用手動劃分,并在應(yīng)力較集中處(如支座),單元網(wǎng)格適當加密。沿橋長(縱向)同性材料;()力(變形)。2.3計算結(jié)果分析表

7、中徑向位移為負表示向x軸負方向移動(x軸正向指向曲線外側(cè)),切向位移為負表示梁體向建模時橋梁縱向z的負方向移動,由于計算模型的對稱性只給出02。通過以上計算可知:(1),故采用板式橡膠支座時,對曲線半徑小于150m的彎箱。(2)在恒載和溫度荷載組合下,對設(shè)有雙支座的0號墩墩頂,其內(nèi)外側(cè)支座所承受的支反力不同,外側(cè)大,而內(nèi)側(cè)小,這也是造成彎箱梁橋在溫度荷載作用下發(fā)生變形后不能回復(fù)的一個原因。根據(jù)計算可知,0號墩墩頂內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)負反力,支座呈脫空狀態(tài),會導(dǎo)致外側(cè)板式橡膠支座受剪變形過大,影響使用壽命,應(yīng)在曲線半徑較小的彎箱梁橋內(nèi)側(cè)設(shè)置拉力支座。(3)彎箱梁橋在溫度荷載作用下內(nèi)外側(cè)梁體的變形是不一致

8、的,外側(cè)徑向位移量小于內(nèi)側(cè)徑向位移量,縱向位移表現(xiàn)為外側(cè)大于內(nèi)側(cè)。3預(yù)防措施3.1設(shè)計計算方面(1)明確鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁橋的溫度場為了分析彎箱梁在溫度荷載作用下的變形情況,計算了D匝道箱梁橋各墩頂支座水平溫度力、摩阻力、溫度荷載+恒載組合下的支反力以及曲線內(nèi)外側(cè)腹板位移的變化情況,計算結(jié)果參見表13。表1墩頂水平溫度力及支座摩阻力計算表溫度變化產(chǎn)生的支座水平力GA/×105N自重產(chǎn)生的支座反力ND/×10N5摩擦系數(shù)位置6t×-1.4×<0>0>0>0<0表中最后一列,反應(yīng)了板式橡膠支座與混凝土之間的摩阻力ND抵抗溫度荷

9、載在支座上產(chǎn)生的水平力1.4GA6t的能力,大于零表示支分布形式,并在設(shè)計計算中充分考慮溫度荷載的作用,對曲線梁進行結(jié)構(gòu)空間分析。新頒布的公路橋規(guī)(JTGD602004)6調(diào)整了溫度梯度曲線的規(guī)定,但其是否適用于大懸臂彎箱梁橋還有待于進一步研究。鐵路橋涵設(shè)計7規(guī)范中采用沿橋橫向、豎向均為指數(shù)函數(shù)的溫度梯度模式。因為鐵路橋梁通常較窄,橋面上鋪2005年第4期張等:RC連續(xù)彎箱梁橋溫度荷載下的位移計算及預(yù)防措施33有軌道、道渣等,受日照的影響與公路橋會有所不同,而且公路上的箱梁橋一般翼緣板做得都比較長,其腹板大部分時間處于翼緣板的陰影中,腹板的溫度變化不大。本文根據(jù)計算和實測觀測結(jié)果認為曲線箱梁橋

10、可以采用橋面板溫差±10,腹板和底板溫度均勻變化的梯度模式。(2)建立的力學模型盡可能反映結(jié)構(gòu)的受力情況。采用計算程序進行設(shè)計的關(guān)鍵問題是力學模型的建立,特別是邊界條件的模擬對得出正確的計算結(jié)果起著很重要的影響,計算時應(yīng)對結(jié)構(gòu)上、下部共同計算。(3)考慮曲線梁橋的支承形式,選擇合適的橋梁支座。曲線梁橋的支承方式對其力學模型的建立至關(guān)重要,不同的支承方式對應(yīng)不同的力學計算簡圖,得出的內(nèi)力分布也不同。根據(jù)實橋的計算可知,對半徑較小的連續(xù)曲線梁橋盡量采用在橋臺處設(shè)置抗扭支承,其余墩頂設(shè)置點鉸支承,這樣的支承形式既可以改善梁體的變形,又可減小下部的造價,減少施工量,但要選取適當?shù)钠木鄟砀纳?/p>

11、曲線梁橋的受力。梁橋可采用全部抗扭支承,抗扭支承交替使用,形要求。(4)來完善曲線梁橋的空間分析。通過變形觀測可以獲得大量可靠的資料,可以監(jiān)視橋梁的狀態(tài)變化和工作情況,當梁體發(fā)生不正常的現(xiàn)象時,可以及時分析原因,采取措施或改善運營方式,以保證結(jié)構(gòu)的安全并驗證設(shè)計方法。為橋梁設(shè)計、施工、管理和科學研究提供資料。3.2構(gòu)造方面(1)在容許活動端采用容許梁端發(fā)生切向位移和平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形的支承形式。彎梁橋由于溫度變化引起的平面內(nèi)位移屬于弧段膨脹或縮短性質(zhì)的位移,弧段的半徑變化而圓心角不變(圖1a),由預(yù)加力和混凝土徐變影響所引起的位移是和力的作用方向有關(guān)的切向位移(圖1b)8。由此可見,由于溫度變化和

12、混凝土收縮會引起各支點處的徑向位移,故在橋梁活動端將引起和橋軸線相垂直的位移分量,它會使伸縮縫的活動在構(gòu)造上發(fā)生困難,并會產(chǎn)生一個平面扭矩,使整個橋面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),在構(gòu)造上應(yīng)予以注意。在容許活動端可采用在構(gòu)造上容許梁端發(fā)生切向位移和平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的變形,但限制其徑向位移的計算圖式,這樣就可以不采用在活動端既限制平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形又限制其徑向位移的構(gòu)造措施。通過計算表明,允許活動端發(fā)生轉(zhuǎn)角位移可顯著減小垂直軸線方向的約束力,而且端部的轉(zhuǎn)角也比較小。圖1曲線梁橋平面內(nèi)變形圖(2)對寬橋設(shè)置中間縱向斷縫。為了使容許,以滿足橋頭伸縮縫裝置的要求,化,。為“半橋”,即在中間分割帶處設(shè)置縱向斷縫,以使橫橋向的少量變形

13、由這條縱向斷縫來適應(yīng)。(3)增設(shè)中橫梁來減小彎箱梁橋變形。橫隔板可以改善荷載橫向分布,分配大的局部作用力和反力,有時也起著局部約束截面扭曲的作用,而且通過計算表明它可以阻止橫截面形狀的變形,限制其變形和扭轉(zhuǎn)共同引起的橫向彎曲畸變應(yīng)力和縱向正應(yīng)力,可以減小曲線梁橋的梁體位移。(4)選擇適當?shù)母拱搴穸群蛻冶坶L度。箱梁的腹板尺寸及懸臂尺寸除了滿足構(gòu)造上的要求外,適當增大其厚度及長度有助于限制梁體的位移,但關(guān)鍵問題在于選取合適的腹板厚度和懸臂長度來滿足變形和受力的要求。(5)條件允許的話,將環(huán)道設(shè)計成連續(xù)的閉合圓環(huán),以達到減小橋墩所承受的豎向力和水平力的目的,同時可使環(huán)道幾乎不產(chǎn)生水平彎曲變形。(6)

14、為了限制梁體的徑向位移可以采用橫向限位裝置。對彎箱梁橋其縱向位移可以通過設(shè)置固定支座來限制,而造成梁體破壞、支座剪壞、墩體開裂的主要因素是橫向限位不夠,為此,對于無34張等:RC連續(xù)彎箱梁橋溫度荷載下的位移計算及預(yù)防措施2005年第4期參考文獻1卜桂林.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)曲線箱梁橋的理論與設(shè)蓋梁的彎箱梁橋可采用在墩頂設(shè)置鋼護桶,在梁底設(shè)置橫向限位鋼板的限位裝置;對有蓋梁的彎箱梁,可在主梁外側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土檔塊、擋桿或鋼支架來限位。(7)對曲線半徑R<150m的彎箱梁橋應(yīng)采用盆式橡膠支座來滿足梁體的變形和受力要求。4結(jié)論計.成都:西南交通大學,2001.48492邵榮光,夏淦.混凝土彎梁橋.

15、北京:人民交通出版社,1994.51593葉見曙,賈琳,錢培舒.混凝土箱梁溫度分布觀測與研究.東南大學學報(自然科學版),2002,32(5):7887934劉來君.大跨徑橋梁施工控制溫度荷載.長安大學學通過對溫度變化引起彎箱梁橋外移的分析,結(jié)合實際工程的計算,針對溫度變化引起的彎箱梁橋的梁體外移這一問題,本文從設(shè)計和構(gòu)造兩方面入手,分別提出了限制梁體位移的措施,從而得出以下結(jié)論:要限制彎箱梁在溫度荷載作用下產(chǎn)生的不利變位,首先要在設(shè)計中考慮溫度荷載的影響,選擇合適的計算理論和計算程序,采取盡可能和實際情況相吻合的計算圖式,然后選擇合適的支承形式,并擬定箱體的細部尺寸,在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體措施,

16、達到限制梁體不利位移的目的。報(自然科學版),2003,23(2):61635徐艷秋,許可賓.曲線箱梁橋截錐殼有限元分析.鐵道學報,2001,23(6):60676中華人民共和國行業(yè)標準1JTGD602004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范.北京:人民交通出版社,2004134357中華人民共和國行業(yè)標準1TB31999鐵路.北京:18.:人民交通出版社,andPreventionMeasureofRCCurvedBoxGirDerBridgeUnderTemperatureIoadZhangYue1,2,HuZhaotong1,ZhouMi1,CaiJianming3(1.KeyLaboratoryf

17、orBridgeandTunnelEngineeringofShaanxi,ChanganUniversity,Xian710064,China;2.SchoolofConstructionandCivilEngineeringXianUniversityofScienceandTechnology,Xian710054,China;3.InstituteofZhejiangQuzhouTrafficDesign,Quzhou324002,China)Abstract:Withtherapidlydevelopmentofhighwaysandgradseparationengineering

18、,theapplicationofreinforcedConcretecontinuouscurvedbox2beambridgesareapparentlywide.However,duringtheactualapplicationofabundanceprojects,withtheoperationofR.Ccontinuouscurvedbox2beambridges,thebeambodyoccurredtheoutwarddisplacementalongracialdirectionandtookonobvious2lycircumrotateandoverturningtendency.Basedoncertainengineeringof320nationalroad,theun2favorabledeformationofR.Ccontinuouscurvedbox2beambridgesthatiscreatedbytemperatureloadiscalculatedbyfiniteelementprogram(ANSYS).Thelimitingmeasurementsofunfav