曲線橋與直線橋的受力機(jī)制比較

曲線橋與直線橋的受力機(jī)制比較

1曲線梁橋的應(yīng)用和發(fā)展隨著我國(guó)道路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，道路之間的變化越來越大，交流和樞紐規(guī)模也越來越大。曲線橋能夠很好地適應(yīng)地形和地物限制的需要，曲線結(jié)構(gòu)的線條優(yōu)美、光滑、動(dòng)態(tài)，因此受到工程師的喜愛。曲線梁橋的受力機(jī)制和直線橋有很大差異,早期設(shè)計(jì)者對(duì)曲線梁橋結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論不甚了解,且限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算水平,通常采用直線梁模型計(jì)算后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)予以修正。隨著計(jì)算理論的不斷完善,空間計(jì)算軟件的不斷推出,曲線梁橋的分析可以更加精確,工程師對(duì)曲線梁橋的受力性能有了更好的把握,曲線梁橋更是如雨后春筍一般涌現(xiàn)。然而隨著曲線梁橋的大規(guī)模使用,各種病害也大量出現(xiàn),甚至許多橋發(fā)生了安全事故,對(duì)國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,在社會(huì)上也造成了很大負(fù)面影響。2常見疾病(1)單箱單室箱形深圳市春風(fēng)路高架橋?yàn)楠?dú)柱三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)彎梁,橋梁中心線曲線半徑60m,采用單箱單室箱形截面,全寬10.5m,兩側(cè)懸臂3.0m。在施工預(yù)應(yīng)力張拉后發(fā)生梁體的轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致梁體曲線內(nèi)側(cè)支座脫空。(2)外側(cè)支架承載能力不足深圳市濱河路車公廟立交橋,上部采用單箱雙室箱形截面,橋梁中心線曲線半徑266.3m,6跨一聯(lián),橋?qū)?0m,兩側(cè)懸臂2.0m,梁高2.8m。中間3個(gè)支承采用獨(dú)柱支承,其余為雙柱支承。該橋施工第一澆筑段,預(yù)應(yīng)力張拉后,按照施工程序拆除跨中支架時(shí),引起梁端及中間支承附近梁體外側(cè)支架承載能力不足,產(chǎn)生支架垮塌,主梁產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。2007年包頭民族東路高架橋發(fā)生側(cè)翻。由于3輛貨車嚴(yán)重超載并行駛在同一橋跨上,每輛車裝載鋼板都在100t以上,而橋梁設(shè)計(jì)載重量為35t。(3)主梁板與中間獨(dú)柱支撐體系深圳市濱海大道南油立交橋,該橋采用獨(dú)柱三跨連續(xù)梁,梁體中心線圓曲線半徑為68.5m或83.5m。橋?qū)?m,梁底寬3.8m,懸臂2.1m,主梁梁高2.0m(中跨45m)、1.65m(中跨35m)。中間獨(dú)柱支承采用雙向活動(dòng)盆式橡膠支座。在進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)發(fā)生梁體的較大偏轉(zhuǎn),最大偏轉(zhuǎn)為1.53%,外側(cè)最大下沉為60cm,內(nèi)側(cè)最大上翹為63cm,主梁向曲線外側(cè)最大滑移45cm。(4)邊墩活動(dòng)宣傳深圳市華強(qiáng)北立交A、B匝道橋均為6孔預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,橋梁中線曲線半徑分別為255m和275m。箱梁截面為單箱單室,梁高2.2m,箱梁頂寬9.0m,底寬5.0m,支座布置邊墩采用板式橡膠支座,其余均為雙向活動(dòng)支座。該橋2000年6月在無任何先兆情況下,A匝道橋突然發(fā)生梁體側(cè)向位移、平面外撓曲并伴隨嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形。各墩處徑向平移位移量分別為18、21、33、47、46、22、19cm(A匝道),梁端端部扭轉(zhuǎn)角達(dá)2.42°和2.35°。兩側(cè)邊墩曲線內(nèi)側(cè)支座已脫空。以上僅列舉出幾種典型的曲線梁橋病害形式,實(shí)際上,近年來曲線梁橋反映出的問題還有許多,大多數(shù)病害在設(shè)計(jì)中若引起足夠重視并采取相應(yīng)措施是可以避免的。下文結(jié)合筆者參加的曲線梁橋設(shè)計(jì)和加固工作,對(duì)曲線梁橋設(shè)計(jì)需要注意的問題進(jìn)行分析和論述。3主梁設(shè)計(jì)3.1曲與扭轉(zhuǎn)耦合曲線梁橋與直線梁相比,其受力性能需考慮軸向變形與平面內(nèi)彎曲的耦合,豎向撓曲與扭轉(zhuǎn)的耦合。曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)的墩頂水平力,除了有制動(dòng)力、溫度力、地震力等以外,還因?yàn)閺澚呵实拇嬖?多了離心力和預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)產(chǎn)生的徑向力,因此曲線梁橋的設(shè)計(jì)不是一維問題,而是三維問題,通常采用梁格單元法或?qū)嶓w建模計(jì)算。3.2預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋。在配筋設(shè)計(jì)方面,建議分為以下幾種(1)根據(jù)前述的曲線梁相關(guān)理論,整體性好、抗扭剛度大的就地澆注的連續(xù)箱形梁橋應(yīng)作為曲線橋的首選上部形式。(2)箱梁中應(yīng)增設(shè)中橫隔板?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中9.3.2條規(guī)定:內(nèi)半徑小于240m的彎箱梁應(yīng)設(shè)跨間橫隔板,其間距對(duì)于鋼筋混凝土箱形截面梁不應(yīng)大于10m;對(duì)于預(yù)應(yīng)力箱形截面梁則需經(jīng)結(jié)構(gòu)分析確定。曲線梁在彎扭耦合作用下,畸變和翹曲效應(yīng)較直線梁大,因而整個(gè)梁體的應(yīng)力組合變得更加復(fù)雜,通過增設(shè)中橫隔板限制箱體的畸變和翹曲,使結(jié)構(gòu)分析中可僅考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,簡(jiǎn)化了計(jì)算。由于中橫隔板僅起到約束箱梁變形的作用,并不參與全橋整體受力,因此,其厚度可設(shè)置為30～50cm,配筋按構(gòu)造要求配置即可。(3)有些大曲率的曲線梁,特別是采用獨(dú)柱墩單點(diǎn)支承形式箱梁,調(diào)整墩柱偏心后,主梁扭轉(zhuǎn)仍然會(huì)引起支座負(fù)反力,設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用拉力支座,也可根據(jù)扭轉(zhuǎn)方向采取在主梁內(nèi)側(cè)或外側(cè)加配重混凝土。(4)對(duì)于較小半徑的匝道橋,盡量選用小跨徑布置,上部結(jié)構(gòu)優(yōu)先考慮普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。分聯(lián)不宜過長(zhǎng),根據(jù)曲率大小一般控制在60～100m較為合適,這樣可盡量減少曲率的影響,使梁的受力更接近直線梁。(5)對(duì)于受地形控制或跨越要求的匝道橋,采用小跨徑普通鋼筋混凝土箱梁不能滿足要求時(shí),可采用預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋。縱向預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,鋼束布置遵照“少股多束,長(zhǎng)短結(jié)合”的原則:“少股”即每根預(yù)應(yīng)力鋼束組成股數(shù)不宜過多,盡量采用小噸位張拉,一般控制股數(shù)不大于12股;“多束”即在腹板中豎向多布置幾束預(yù)應(yīng)力筋,這樣可克服單根大噸位鋼束預(yù)應(yīng)力損失大的弊端,減小了錨端應(yīng)力集中,同時(shí)為計(jì)算中調(diào)束提供了更大的便利;“長(zhǎng)短結(jié)合”就是一聯(lián)通長(zhǎng)鋼束與跨中、墩頂短鋼束結(jié)合使用,同樣增加了調(diào)束的方便,而且彌補(bǔ)了通長(zhǎng)鋼束應(yīng)力損失大、而一味增加鋼束又會(huì)造成局部壓應(yīng)力過大的缺點(diǎn)。另外,盡可能使預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平合力作用點(diǎn)連線與梁的軸線相吻合,這樣對(duì)于減少梁體的翹曲有較大作用。(6)曲線箱梁橋頂、底板的縱向受力一般是外側(cè)大、內(nèi)側(cè)小,建議縱向鋼筋的布置采取“外密內(nèi)疏”布置,或?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單在平面桿系程序計(jì)算配筋基礎(chǔ)上適當(dāng)放大均勻布置,總之要防止外側(cè)較內(nèi)側(cè)提前破壞。上、下層橫向鋼筋以及腹板箍筋應(yīng)有足夠的焊接或搭接長(zhǎng)度,箍筋采用135°彎勾以抵抗強(qiáng)大的扭矩,同時(shí)增加抗震能力。(7)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋,為防止預(yù)應(yīng)力束徑向壓力過大對(duì)梁體造成破壞,須在腹板內(nèi)設(shè)置足夠數(shù)量的防崩鋼筋。防崩鋼筋采用帶肋鋼筋,防崩鋼筋開口方向應(yīng)朝曲線外側(cè)。由于曲梁中的預(yù)應(yīng)力線形一般比較復(fù)雜,為減少摩阻損失可選用塑料波紋管。4底部設(shè)計(jì)4.1抗扭段下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性前文介紹的曲線橋病害很多是由于下部結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理造成的。主梁向外側(cè)滑移可以從下部結(jié)構(gòu)著手解決,采用主梁與橋墩固結(jié)或在橋墩上設(shè)置限位擋塊;主梁側(cè)翻可以增加抗扭支承解決;許多設(shè)計(jì)人員較忽視下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),通常把直線橋的下部構(gòu)造拿來就用,不考慮這樣的設(shè)置是否存在安全隱患,計(jì)算也只是對(duì)主梁分析較為重視,忽略對(duì)下部結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算,導(dǎo)致許多獨(dú)柱墩開裂甚至失穩(wěn)情況發(fā)生。我國(guó)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中對(duì)曲線梁橋設(shè)計(jì)沒有具體規(guī)定,設(shè)計(jì)中采用的形式五花八門,相應(yīng)病害也層出不窮,通過對(duì)歷年來曲線橋病害處理,業(yè)界也積累了不少經(jīng)驗(yàn),對(duì)于曲線梁橋的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。4.2下個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1)中墩柱與梁固結(jié)的方式選擇曲線梁橋的不同支承方式對(duì)上、下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布影響很大。曲線梁橋的中間支承一般分為兩種類型:抗扭型支承(多支點(diǎn)或墩梁固結(jié))和單點(diǎn)鉸支承(圖1)。設(shè)計(jì)時(shí)其支承方式的選擇可參考以下原則:①對(duì)于寬橋和曲線半徑較大的曲線梁橋,由于主梁扭轉(zhuǎn)作用較小,橋體寬要求主梁增加橫向穩(wěn)定性,中墩宜采用抗扭能力較強(qiáng)的多柱或多支座的支承方式,也可采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式。②對(duì)于窄橋和曲線半徑較小的曲線梁橋,由于主梁扭轉(zhuǎn)作用較為明顯,特別是預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力的作用下,主梁扭轉(zhuǎn)變形很大,宜采用獨(dú)柱墩,但支承形式的選擇與墩高有一定關(guān)系,較高的中墩可采用墩柱與梁固結(jié)的形式。較矮的中墩可采用較弱抗扭能力的單點(diǎn)支承方式。③對(duì)于墩梁固結(jié)的曲線梁橋,墩柱截面形狀選擇也相當(dāng)重要。設(shè)計(jì)中必須考慮墩柱的彎矩變化,在主梁的扭轉(zhuǎn)變形過大同時(shí)墩柱彎矩也很大(一般墩柱較矮)的情況下,宜采用矩形截面墩柱,因?yàn)榫匦谓孛嫜刂髁嚎v向抗推剛度小,而沿主梁橫向抗彎剛度大,更加符合曲線梁橋受力特點(diǎn)。(2)橫向位移的控制由于主梁在日照的反復(fù)作用以及汽車離心力的作用下容易發(fā)生橫向位移,因此,建議中墩上設(shè)置限制橫向位移的支座,如盆式橡膠支座或有橫向位移固定裝置的板式支座。對(duì)于支座可能出現(xiàn)負(fù)反力的情況,可以采用拉力支座。(3)兩端抗扭極限平衡在中間墩點(diǎn)支承向曲線外側(cè)方向預(yù)設(shè)一定偏心值,就可以調(diào)整梁體恒載扭矩分布,有效地降低兩端抗扭支承的恒載扭矩值,使梁體自身達(dá)到平衡。但是曲線橋除承受自重還有活載作用,特別是車輛偏載時(shí),對(duì)主梁產(chǎn)生很大扭轉(zhuǎn),通常情況下可在按自重平衡的偏心值基礎(chǔ)上適當(dāng)放大。采用三維程序計(jì)算時(shí)也應(yīng)當(dāng)將偏載影響適當(dāng)考慮大些。(4)膠墊塊的加固由于離心力、溫變的影響,梁體會(huì)逐漸向外側(cè)滑移,因此必須限制其位移。通?？梢栽谙淞焊拱逋鈧?cè)與墩臺(tái)擋塊之間放置橡膠墊塊,這樣既允許梁體產(chǎn)生一定的位移,又限制了其位移量,不至于破壞伸縮縫和支座。由于側(cè)向力較大,建議將擋塊設(shè)計(jì)得堅(jiān)固些。對(duì)于美觀性要求較高的橋梁,在設(shè)置梁側(cè)擋塊有困難的情況下可考慮將主梁橫隔板底部做成企口,帽梁中做成突起嵌入主梁企口中,突起和企口之間留一定間距,這種設(shè)計(jì)也可起到限制橫向位移的作用,同時(shí)