高速公路互通立交匝道橋的復(fù)合受力狀態(tài)分析

高速公路互通立交匝道橋的復(fù)合受力狀態(tài)分析

隨著道路硬化的發(fā)展，道路橋梁在相互連接中的應(yīng)用越來越廣泛。這些橋梁的橋面寬度通常約為8.15.5m，曲線半徑為60.250m。其中一些是緩沖區(qū)曲線，最大跨徑為20.30m?；炷林苹煜淞阂话悴捎妙A(yù)制混凝土砌塊梁。這些橋梁由于是彎梁橋，存在“彎扭耦合”作用，若設(shè)計與施工不當容易引起梁內(nèi)側(cè)支座脫空、梁體向外側(cè)移動反轉(zhuǎn)、固結(jié)墩墩身開裂等工程病害。本文結(jié)合匝道橋的特點，以黃花塘互通C匝道為例，提出此類橋梁的結(jié)構(gòu)計算方法及設(shè)計要點，從而有效地預(yù)防上述病害的產(chǎn)生。1匝道橋的布置表1是筆者參與設(shè)計的幾座匝道橋的設(shè)計參數(shù)。由表1看出匝道橋具有以下特點：（1）匝道橋的寬度一般在8～15.5m左右，為1個或2個車道。（2）由于匝道用來實現(xiàn)道路的轉(zhuǎn)向功能，在立交中往往受到占地面積的限制，匝道橋多為小半徑的曲線梁橋，平曲線最小半徑可在60m左右，有時處于緩和曲線上，且設(shè)置較大超高值。（3）匝道橋往往設(shè)置縱坡較大。由于匝道橋的這些特點在設(shè)計中應(yīng)考慮下面的因素：(1）由于曲率的關(guān)系，同時產(chǎn)生彎矩與扭矩，計算中要考慮彎扭耦合作用。(2）由于旋轉(zhuǎn)力矩的作用，外梁內(nèi)力較內(nèi)梁大，因此通常會使外梁超載，內(nèi)梁卸載，由于內(nèi)外梁反力有時相差很大，當活載偏置時內(nèi)梁可能產(chǎn)生負反力，尤其在曲率半徑小，靜荷重比較小時，更易產(chǎn)生。這時如果支座不能承受拉力，會出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。(3）匝道橋均為曲線梁橋，橫梁起到保持全橋穩(wěn)定的作用，所以與直橋比需要加大橫梁剛度。2結(jié)構(gòu)體系及斷面圖分析下面以黃花塘互通C匝道橋為實例，介紹這類典型匝道橋的結(jié)構(gòu)計算方法及設(shè)計要點。C匝道總體設(shè)計圖見圖1，橋孔布置為20m+2×25m+20m，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，平面曲線半徑R=170m，橋面凈寬為2×凈-6.75m。下部采用柱式墩，肋板式臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本橋主梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。梁高1.4m。典型斷面圖見圖2，橋面橫坡主要由墩高形成。全橋除在支點處設(shè)橫隔梁外。由于本橋半徑較小，為增加梁體橫向整體性和抗扭作用，還在各跨跨中設(shè)置一道30cm厚橫隔梁，中支點橫隔梁寬1.8m，邊支點橫隔梁寬1.2m。2.1線橋的分析方法匝道橋大多為曲線梁橋，本質(zhì)上為3維空間結(jié)構(gòu)。對其進行空間分析是比較精確的，但從理論上來說可以參照直線橋的分析方法，日本規(guī)范提出：當曲線梁采用具有相當抗扭強度的閉口截面時，對于曲線梁段的扭轉(zhuǎn)跨徑所對應(yīng)的中心角小于12°時可以近似地作為曲線長為跨徑的直線橋進行結(jié)構(gòu)分析；中心角大于12°小于30°時，主梁縱向彎矩及剪力可按直線橋分析，反力及扭矩需按空間分析。中心角大于30°所有截面內(nèi)力均按空間分析。2.1.1縱向彎矩分析本橋箱梁位于圓曲線上，圓心角僅為8.02°，僅在2#墩處設(shè)置獨柱墩。故從理論上將其簡化為直線梁進行分析在縱向彎矩的計算結(jié)果上不會產(chǎn)生較大的誤差。另外，該橫梁處設(shè)置2個支座，更進一步減小了扭轉(zhuǎn)對箱梁內(nèi)力的影響，因此沒有必要采用復(fù)雜的有限元法對結(jié)構(gòu)進行整體內(nèi)力分析。這種以直帶曲的處理，在計算中取了較大的偏載系數(shù)1.3，以近似考慮箱梁扭轉(zhuǎn)引起的腹板剪應(yīng)力。本例采用橋梁博士計算。2.1.2計算結(jié)果分析主要計算參數(shù)：采用滿堂支架現(xiàn)澆施工，一次澆筑，混凝土齡期達到14d后，張拉預(yù)應(yīng)力，施工階段模擬采用直接一次落架，不再模擬支架的拆除過程，這樣結(jié)果偏于安全?？紤]箱梁的有效寬度。正常使用階段，考慮梯度溫度應(yīng)力及支座可能沉降1mm，為了更有效地控制斜裂縫，主拉應(yīng)力基本控制在規(guī)范容許值的0.5倍范圍內(nèi)。在墩頂處根據(jù)受力需要設(shè)置了必要的短索。(3）使用階段計算結(jié)果分析應(yīng)力驗算：采用50號混凝土，應(yīng)力體計算結(jié)果見表2，正常使用階段上下緣應(yīng)力值見圖3和圖4。變形：施工階段張拉預(yù)應(yīng)力束累計最大上升撓度為1.0cm，正常使用階段梁體最大下?lián)?.0cm，均滿足規(guī)范要求。除這種在一定條件下可以用的“以直代曲”的方法外，文獻介紹了有限元法，有限條法，折板分析法，梁格法等幾種方法。而梁格分析法是用等效梁格來代表橋梁的上部結(jié)構(gòu)。是目前設(shè)計及科研中常采用的方法，其特點是容易掌握，且對設(shè)計能保證足夠的精度。其實質(zhì)是將傳統(tǒng)的1維桿單元計算模式推進到2維計算模型，用1個2維的空間網(wǎng)格來模擬結(jié)構(gòu)的受力特性，能充分考慮彎橋橫向的受力特性。本橋也用梁格法計算的結(jié)果與桿系法計算的結(jié)果進行對比，在自重荷載作用下，二者的差別主要表現(xiàn)在支點附近，桿系法的計算值處于梁格法邊肋和中肋的計算值之間，梁格法邊肋與中肋應(yīng)力相差20%左右；在汽車荷載作用下，邊肋和中肋的應(yīng)力分布不均勻性也較明顯，在20%左右。所以在以往的設(shè)計中曲線半徑不是太?。≧>120m）的情況下，采用以直帶曲的處理，取較大的偏載系數(shù)1.3，是安全的。2.2該計劃的要點2.2.1梁高和墊塊板高匝道橋多為小半徑的曲線梁橋，平曲線最小半徑可在60m左右，設(shè)置較大的超高值。超高的設(shè)置常見的有以下幾種：（1）通過梁高調(diào)整；（2）梁高相同采用墩高和墊塊調(diào)整；（3）采用鋪裝層調(diào)整，或鋪裝層與墩帽共同調(diào)整。本橋R=170m，橋面為單向橫坡5%，采用墩高進行調(diào)整。設(shè)計中可根據(jù)不同情況靈活應(yīng)用。2.2.2支護設(shè)置方面由于匝道橋在自重作用下產(chǎn)生扭矩，因此除主梁本身必須具有足夠的抗扭剛度、抗扭矩外，其支承必須能夠承受自重和活載偏載所產(chǎn)生的扭矩，而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此支座設(shè)計要考慮一些設(shè)置原則：（1）梁端支座的布置在滿足承載力的前提下橫向支座不宜多于2個以免支座脫空；（2）對于墩高較大的獨柱式中墩的支點設(shè)置宜采用“墩-梁”固結(jié)的構(gòu)造，充分利用橋墩的柔性來適應(yīng)變形要求，獲得較好的經(jīng)濟效果，本橋中墩較矮故設(shè)置固定支座，以防止過大的徑向水平位移；（3）支座間距應(yīng)盡量設(shè)大。采取不同的支承方式對曲線梁橋的上、下部結(jié)構(gòu)受力影響很大，針對不同的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)選用對結(jié)構(gòu)受力有利的支承方式，可防止支座脫空等現(xiàn)象。構(gòu)造上應(yīng)設(shè)置強大的水平限位措施，以限制曲線梁橋可能出現(xiàn)的過大水平位移。2.2.3解釋并確定支護偏移值調(diào)整支座的橫向位置，使支座向與扭矩相反的方向偏移一定的距離，以使曲線梁達到類似直梁的平衡狀態(tài)。支座偏移值是要根據(jù)實際的計算分析得到的，特別是預(yù)應(yīng)力彎橋不僅要考慮自重產(chǎn)生的偏移還要考慮預(yù)應(yīng)力和溫度應(yīng)力產(chǎn)生的預(yù)設(shè)偏移，并且還要滿足活載作用下的結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)以往的經(jīng)驗本橋采用的偏心值=（梁高+鋪裝）×橫坡。預(yù)偏心設(shè)置可有效防止墩頂開裂，側(cè)向位移等病害。2.2.4跨間施工焊縫設(shè)置曲線上匝道橋橫隔板的設(shè)置要比相應(yīng)的直橋有所加強，如果內(nèi)橫隔板設(shè)置不當，橫截面的畸變引起的畸變應(yīng)力可能會超過受彎正應(yīng)力，本橋設(shè)置了30cm厚的跨間橫梁。2.2.5預(yù)應(yīng)力構(gòu)件防崩鋼筋(1）曲線梁橋的預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力很大，尤其對小半徑曲線梁橋作用更大。設(shè)計時必須考慮其對主梁腹板曲線內(nèi)側(cè)砼的壓力，這種壓力可引起腹板崩裂和鋼束崩出，故需在主梁腹板內(nèi)設(shè)置足夠數(shù)量的防崩鋼筋。(2）對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件曲線平面內(nèi)外管道的最小混凝土保護層厚度應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范JTGD62—2004規(guī)定的計算公式。(3）曲線梁橋的鋼筋布置要求使截面具有抗扭能力，本橋箱梁底板上下層橫向筋、頂板上下層橫向筋及腹板箍筋相互搭接從而構(gòu)成一個封閉的抗扭矩。2.2.6不當?shù)年P(guān)系一些匝道橋施工過程中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)或平面移動與施工順序安排不當有一定關(guān)系。如護欄施工先澆注外側(cè)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重心外移等，故設(shè)計時對橋梁附屬設(shè)施施工說明進行細化，重視橋面鋪裝的偏心施工荷載，護欄施工應(yīng)兩側(cè)對稱，隔跨澆注。3結(jié)構(gòu)形式設(shè)計體會匝道橋的設(shè)計比一般直線橋梁要復(fù)雜得多，具體的設(shè)計過程中，準確、全面的結(jié)構(gòu)受力分析是保證匝道橋設(shè)計不出現(xiàn)質(zhì)量問題的最有效手段。結(jié)合上述匝道橋的特點得出以下3點設(shè)計體會：(1）曲線上匝道橋中的橫梁起著保持全橋穩(wěn)定的重要作用，因此與