連續(xù)梁橋墩頂順橋向水平力的分析與研究

連續(xù)梁橋墩頂順橋向水平力的分析與研究

隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用了傳統(tǒng)的綠色連續(xù)橋梁和簡(jiǎn)單的懸索橋。為了美化橋梁的形狀，減小橋的橫向力，橋墩通常設(shè)計(jì)為柔性碼頭。在橋墩的設(shè)計(jì)過(guò)程中,墩頂順橋向水平力往往是設(shè)計(jì)的控制因素。墩頂所受的水平力一般分為:汽車制動(dòng)力、溫度變化和混凝土收縮徐變產(chǎn)生的作用力、外部作用力(如風(fēng)荷載、土側(cè)壓力、船撞力)三部分。通常情況下,橋梁一聯(lián)長(zhǎng)度在100～200m之間,其中一個(gè)橋墩設(shè)置固定支座,其余橋墩設(shè)置活動(dòng)支座,計(jì)算時(shí)需按橋墩和支座的組合剛度和橋跨長(zhǎng)度進(jìn)行水平力分配。假設(shè)連續(xù)梁橋的一聯(lián)有n孔,這樣就有(n+1)個(gè)墩臺(tái),在其中某一個(gè)橋墩(暫稱為a橋墩)設(shè)置固定支座,其余橋墩設(shè)置活動(dòng)支座。第i個(gè)橋墩的剛度為Ki(i=0,1,2,…,n+1),支座受到梁部的豎向荷載為Ni(i=0,1,2,…,n+1),活動(dòng)支座的摩擦因數(shù)為μ,一聯(lián)總的制動(dòng)力為T,由于溫度影響使第i個(gè)墩的位移為Δi(i=0,1,2,…,n+1)。1計(jì)算平臺(tái)抗推擠剛性1.1結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算方法墩臺(tái)的抗推剛度是指墩臺(tái)頂在1kN的水平力作用下,墩臺(tái)頂產(chǎn)生水平位移的倒數(shù),單位為1/m。當(dāng)橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)或者U形橋臺(tái),很難產(chǎn)生變形或者滑動(dòng),其剛度可認(rèn)為無(wú)窮大。當(dāng)橋臺(tái)為其他形式的樁柱式橋臺(tái)時(shí),則按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63—2007)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)進(jìn)行計(jì)算:Δ臺(tái)=x0?φ0(h2+h1)+Δ0K臺(tái)=1/Δ臺(tái)Δ臺(tái)=x0-φ0(h2+h1)+Δ0Κ臺(tái)=1/Δ臺(tái)式中各符號(hào)的意義見(jiàn)《規(guī)范》。當(dāng)橋墩的基礎(chǔ)為天然基礎(chǔ)或者帶承臺(tái)的群樁基礎(chǔ)時(shí),基礎(chǔ)的剛度很大,在外力的作用下,基礎(chǔ)的變形非常小,可視為橋墩和基礎(chǔ)固結(jié)。這樣的橋墩的抗推剛度按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的圖乘法求得:Δ墩=(1/3)×P×L3/(EI)K墩=3EI/L3Δ墩=(1/3)×Ρ×L3/(EΙ)Κ墩=3EΙ/L3式中:P=1kN;E為墩柱的混凝土的彈性模量;I為墩柱的順橋向的慣性矩;L為墩柱高度。當(dāng)橋墩的形式為樁柱式時(shí),則按照《規(guī)范》計(jì)算:Δ墩=x0?φ0(h2+h1)+Δ0K墩=1/Δ墩Δ墩=x0-φ0(h2+h1)+Δ0Κ墩=1/Δ墩式中各符號(hào)的意義見(jiàn)《規(guī)范》。1.2支柱的幾何要求板式橡膠支座的支座剛度為:K支=nAG/tΚ支=nAG/t式中:n為一排支座個(gè)數(shù);A為支座的平面面積;G為橡膠的剪切模量,一般取1.1MPa;T為支座的橡膠層總厚,可參閱支座產(chǎn)品規(guī)格或標(biāo)準(zhǔn),一般可近似取0.71～0.78倍支座總厚。對(duì)于盆式橡膠支座,因?yàn)橄鹉z片固定在鋼盆中,位移很小,支座剛度可視為無(wú)窮大。1.3組合可靠性由于總位移為Δi=Δ墩+Δ支=1/K墩+1/K支(見(jiàn)圖1).所以總的組合推剛度:Ki=1/Δi=K墩×K支/(K墩+K支)2聯(lián)橋墩臺(tái)組合抗推剛度的計(jì)算橋梁一聯(lián)總的制動(dòng)力T按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算每個(gè)橋墩的制動(dòng)力按以下步驟進(jìn)行:(1)假設(shè)每個(gè)橋墩支座和主梁沒(méi)有滑動(dòng),按照組合剛度來(lái)進(jìn)算分配制動(dòng)力T,這就有Ti≤Ni×μ(i≠a)每個(gè)橋墩分得的制動(dòng)力為Ti=T×(Ki/∑K)式中:∑K為聯(lián)橋墩臺(tái)組合抗推剛度的總和;μ為活動(dòng)支座的摩擦因數(shù)。(2)根據(jù)以上公式計(jì)算出來(lái)的墩(臺(tái))制動(dòng)力如果不能滿足Ti≤Ni×μ的話,那就證明支座滑動(dòng),假設(shè)就不成立。即然某個(gè)橋墩的支座發(fā)生了滑動(dòng),它就不能用Ti=T×(Ki/∑K)分配制動(dòng)力,這個(gè)墩(臺(tái))的制動(dòng)力=支座摩阻力。用總的制動(dòng)力T減去所有支座滑動(dòng)墩臺(tái)的支座的摩阻力∑Ni×μ得到需要重新分配的制動(dòng)力T新。同時(shí)一聯(lián)橋墩臺(tái)組合抗推剛度的總和∑K也要減去所有支座滑動(dòng)墩的抗推剛度∑K滑得到需要重新分配墩臺(tái)組合抗推剛度的總和∑K新。(3)根據(jù)T新和∑K新,重復(fù)進(jìn)行步驟(1)和(2),直到計(jì)算至橋墩支座和主梁沒(méi)有滑動(dòng)為止。3水平溫度力的計(jì)算混凝土收縮、徐變及溫度下降(上升)均屬于同一種性質(zhì),可將兩者加起來(lái)折算成溫降(升)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)溫度升高或者降低時(shí),梁會(huì)伸長(zhǎng)或者縮短,橋墩也會(huì)隨之產(chǎn)生墩頂位移,其值大小與各墩臺(tái)的水平抗推剛度Ki及各孔跨徑有關(guān)。要求各墩臺(tái)溫度產(chǎn)生的水平力,可按以下步驟進(jìn)行計(jì)算:(1)要找到溫度變化時(shí)梁中不動(dòng)點(diǎn)的位置,其距離端點(diǎn)的位置以X0表示:式中:α為線膨脹系數(shù);Δt為升(降)溫差;Li為i號(hào)墩距左端點(diǎn)的距離。(2)找到不動(dòng)點(diǎn)的位置X0后,假設(shè)所有支座和梁體沒(méi)有滑動(dòng),則某個(gè)墩分得水平溫度力Fi=ΔLi(橋墩i到不動(dòng)點(diǎn)的距離)×Ki(墩臺(tái)抗推剛度)×α×Δt。(3)如果某個(gè)墩分得水平溫度力Fi>支座摩阻力Ni×μ,則表示支座發(fā)出、發(fā)生滑動(dòng),此時(shí)的某個(gè)墩分得水平溫度力Fi=支座摩阻力Ni×μ。(4)這時(shí)原計(jì)算的X0就不正確了,需按照(1)重新計(jì)算X0,值得注意的是∑Ki×Li和∑Ni×μ都是支去掉滑動(dòng)過(guò)的橋墩后的值,重復(fù)(2)～(3)計(jì)算,直到計(jì)算至橋墩支座和主梁沒(méi)有滑動(dòng)為止。4要采用群樁基基礎(chǔ)組合推剛度計(jì)算方法某單跨跨徑為30m的連續(xù)梁橋(如圖1),其中某一聯(lián)為5跨150m,橋面寬26m,雙向6車道。3號(hào)墩采用固定的盆式支座,其余各墩采用活動(dòng)盆式支座,活動(dòng)盆式支座的摩擦因數(shù)μ=0.03。中跨支點(diǎn)豎向力為21600kN,邊跨支點(diǎn)豎向力為8500kN,橋墩采用雙柱C30混凝土墩,每柱為1.7m×2m的矩形截面。基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ),樁基為6根直徑1.4m鉆孔樁,上設(shè)8m×9.2m×2m承臺(tái)。該地最大降溫為25℃,混凝土收縮按降溫10℃考慮。墩臺(tái)高:?號(hào)墩3m;①號(hào)墩8m;②號(hào)墩8m;③號(hào)墩7m;④號(hào)墩7m;⑤號(hào)墩8m。見(jiàn)圖2所示。溫度變化取25+10=35℃,線膨脹系數(shù)取α=0.00001℃-1。(1)計(jì)算各墩臺(tái)的組合推剛度由于采用群樁基礎(chǔ),基礎(chǔ)剛度非常大,墩臺(tái)推剛度K墩=3EI/L3計(jì)算,支座為盆式支座,剛度很大,所以Ki=K墩。(2)計(jì)算總的制動(dòng)力。一個(gè)車道的汽車荷載為:10.5×150+(30-5)/(50-5)×180+180=760kN。按10%計(jì)制動(dòng)力為76kN<165kN,所以一個(gè)車道取165kN的制動(dòng)力。制動(dòng)力3車道,T=165×3×0.78=386.1kN。(3)進(jìn)行第一次計(jì)算制動(dòng)力分配,0號(hào)墩的制動(dòng)力大于支座摩阻力,支座滑動(dòng),T0=241.5kN(支座摩阻力)。(4)總組合推剛度減去0號(hào)墩的組合推剛度為新的總組合推剛度∑K新,總的制動(dòng)力減去0號(hào)墩分得的制動(dòng)力得T新,再進(jìn)行一次制動(dòng)力分配。(5)由于本橋?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu),不動(dòng)點(diǎn)X0在跨中處,各墩距不動(dòng)點(diǎn)X0的距離就可以得到了,按照剛度和距離進(jìn)行分配溫度力。(6)結(jié)果每個(gè)橋墩的溫度力均大于其支座摩阻力,每個(gè)橋墩支座都發(fā)生滑動(dòng),全部取滑動(dòng)摩阻力為溫度力。(7)橋墩順橋向水平力組合