小半徑連續(xù)曲線箱梁橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

小半徑連續(xù)曲線箱梁橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘要：直線梁橋復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)安全，其設(shè)計(jì)時(shí)需驗(yàn)算的內(nèi)容較直線橋多，尤其是箱梁剪扭組合驗(yàn)算及腹板束防崩設(shè)計(jì)，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員足夠的重視。本文結(jié)合某小半徑連續(xù)曲線箱梁橋的工程例子，按梁格法進(jìn)行建模計(jì)算，并且總結(jié)了結(jié)構(gòu)構(gòu)造的處理措施。關(guān)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(shè)計(jì)中，因?yàn)檫m應(yīng)的方向線具有良好的能力，減少障礙，改變?nèi)肆筒牧铣杀荆偌由锨拾霃叫?，造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，是一種廣泛使用的橋型。由于地形條件和線性約束，對(duì)曲線梁橋小半徑曲線的出現(xiàn)是必然的，曲線梁橋與直梁橋的幾何特性相比，具有更復(fù)雜的幾何特性、決定了期更復(fù)雜的受力和變形特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析帶來較多的困難和不便。在本文中，結(jié)合小半徑連續(xù)曲線箱箱梁匝道橋的工程實(shí)例的半徑，通過計(jì)算和分析梁格法建模，結(jié)了結(jié)構(gòu)構(gòu)造的處理措施。2工程概況某匝道橋跨徑組成為4×25m，橋?qū)挒?6m。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(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路－Ⅰ級(jí)。以此為背景，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，總結(jié)曲線箱梁受力特征，探討其受力特點(diǎn)及構(gòu)造處理。3曲線梁上部結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)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(shè)置較大超高值；為了與兩側(cè)銜接，匝道橋往往設(shè)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(diǎn)，給橋梁的線型設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理帶來很大困難。彎扭耦合效應(yīng)是曲線梁橋力學(xué)性質(zhì)的最大特點(diǎn)，曲梁在外荷載的作用下會(huì)同時(shí)產(chǎn)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(yīng)力往往比相應(yīng)的直梁橋大得多，這是曲梁獨(dú)有的受力特點(diǎn)。彎梁橋由于受到強(qiáng)大的扭矩作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，其曲線外側(cè)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(xiàn)翹曲；當(dāng)梁端橫橋向約束較弱時(shí)，梁體有向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢(shì)。在曲線梁橋設(shè)計(jì)中必須考慮足夠的抗扭剛度。而現(xiàn)澆箱梁以良好的結(jié)構(gòu)受力性能和美觀特點(diǎn)成為曲線橋設(shè)計(jì)中常用的截面型式。箱梁要在橋跨范圍內(nèi)設(shè)置一些橫隔板，以加強(qiáng)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(shè)漸變段過渡，減小應(yīng)力集中效應(yīng)。在進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮扭矩效應(yīng)，且應(yīng)配置較多的抗扭箍筋。4結(jié)構(gòu)計(jì)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(yù)應(yīng)力作用下截面的受力狀態(tài)，十分復(fù)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(jì)算方法能滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要。一般當(dāng)橋梁跨徑和寬度相比較大(一般達(dá)到3～4倍以上)，可以保證結(jié)構(gòu)在荷載作用下除沿其跨度產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)外，橫截面的翹曲和畸變可以忽略不計(jì)時(shí)，可采用曲梁單元進(jìn)行建模計(jì)算。該橋?qū)挾容^寬，采用曲梁單元進(jìn)行建模計(jì)算顯然精度不能滿足要求，故采用梁格法進(jìn)行建模分析。梁格法的實(shí)質(zhì)就是用一個(gè)等效的平面梁格或空間構(gòu)架來代替實(shí)際的上部結(jié)構(gòu)。梁格的劃分對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，有不同的規(guī)定，對(duì)于箱梁梁格劃分，一般假定梁格網(wǎng)格是在上部結(jié)構(gòu)彎曲的主軸平面內(nèi)，全部縱向構(gòu)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(diǎn)上的梁格剪力來代表。在實(shí)際程序計(jì)算時(shí)，有時(shí)為了加載的方便，采用沿箱梁懸臂邊緣設(shè)置虛梁的方法。對(duì)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(duì)于設(shè)置橫隔板的位置，必須設(shè)置橫梁。對(duì)于縱向梁格的慣性矩和截面模量必須繞整體上部結(jié)構(gòu)的主軸來計(jì)算，在實(shí)際計(jì)算中，可以采用在箱梁頂?shù)装宀煌恢们虚_的方法進(jìn)行處理，使每個(gè)梁格的重心與主軸重合。對(duì)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(shí)際計(jì)算中，可以采用二字型或工字型(橫隔板處)斷面進(jìn)行模擬。根據(jù)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(cè)護(hù)欄的重心位置。橫梁間距按2m進(jìn)行劃分，采用空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行建模，共劃分為788個(gè)單元，11個(gè)施工階段。5曲線梁橋空間分析曲線橋橋型的受力特點(diǎn)與傳統(tǒng)的直線梁橋受力有很大不同，如何合理確定結(jié)構(gòu)的支撐體系、支座位置設(shè)置及偏心調(diào)整、活載內(nèi)力和偏載對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響都是工程師們重點(diǎn)考慮的問題。曲梁計(jì)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(shù)值分析的有限元法。在工程實(shí)踐中，梁格法以易于程序化及操作相對(duì)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(jié)構(gòu)離散為一個(gè)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(jié)果還原到原結(jié)構(gòu)中得到所需的計(jì)算結(jié)果。梁格法將上部梁結(jié)構(gòu)用等效的梁格來模擬，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jì)算出的縱、橫向彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度應(yīng)該是足夠的；同時(shí)如果梁格網(wǎng)格足夠密時(shí)，計(jì)算出的翹曲效應(yīng)也能夠等效反應(yīng)實(shí)際情況。梁格法的應(yīng)用也比較廣泛，如：實(shí)體板結(jié)構(gòu)、異型板結(jié)構(gòu)、空心板結(jié)構(gòu)、單多室箱梁結(jié)構(gòu)等。梁格單元?jiǎng)澐值氖杳艹潭?，直接影響到結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算精度。理論上講，網(wǎng)格劃分的越密，越能代表真實(shí)結(jié)構(gòu)，但是帶來的問題是工程實(shí)際應(yīng)用的不便利。所以，在工程實(shí)踐中要找到一個(gè)既能反映結(jié)構(gòu)受力特性又運(yùn)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(jīng)試算并分析得出箱型截面梁梁格法單元?jiǎng)澐职凑找韵聨讉€(gè)原則進(jìn)行：1）縱向梁格間距取2～3倍梁高，實(shí)際結(jié)構(gòu)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(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性基本一致。3）在受力較大部位或內(nèi)力突變處，應(yīng)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(duì)可靠準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，適合工程技術(shù)人員使用。但是也存在一些問題，即不能考慮剪力滯、扭轉(zhuǎn)、畸變產(chǎn)生的截面翹曲，須要在設(shè)計(jì)中用三維程序進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，力求計(jì)算準(zhǔn)確。就上述工程實(shí)例，本設(shè)計(jì)同時(shí)采用三維空間程序MADIS進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，兩種程序組合作用下對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示（表中數(shù)值為絕對(duì)值，單位：kN·m）表1兩種程序計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，梁格法和三維空間程序計(jì)算相比在荷載效應(yīng)上均有一定的差異，最大差值在20%以內(nèi)。產(chǎn)生這種差異的主要原因在于，梁格法將連續(xù)的箱型結(jié)構(gòu)拆分為梁格體系，整體剛度減小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配發(fā)生了變化；同時(shí)其橫向聯(lián)系減弱，使得梁格法的計(jì)算結(jié)果與三維實(shí)體有限元計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)出入。在實(shí)際工作中，由于梁格法無法體現(xiàn)剪力滯等效應(yīng)，無法進(jìn)行細(xì)部應(yīng)力分析，這些都需要有空間程序來彌補(bǔ)。但是梁格法建立模型及前后處理簡單易行，計(jì)算相對(duì)簡便而且計(jì)算結(jié)果相對(duì)可靠的特點(diǎn)，使其在工程實(shí)踐中尤其是初步設(shè)計(jì)階段仍得到廣泛應(yīng)用，而在施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)與三維空間計(jì)算進(jìn)行復(fù)核校對(duì)。6結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施在曲線梁橋設(shè)計(jì)中，必須充分重視結(jié)構(gòu)構(gòu)造的處理，采取必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。構(gòu)造設(shè)計(jì)處理的不當(dāng)，直接影響到橋梁的安全。根據(jù)上述分析結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的問題及多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，歸納結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施主要包括以下幾點(diǎn):(1)有條件時(shí)，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(lián)端采用橫向加寬端橫隔板的方法，使梁端支座盡量向兩側(cè)懸出。這樣可以增強(qiáng)箱梁的抗扭強(qiáng)度，使箱梁內(nèi)外側(cè)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(nèi)半徑小于240m，跨徑小于30m的彎箱梁應(yīng)設(shè)跨間橫隔板，橫隔板一般設(shè)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(shè)計(jì)曲線橋梁時(shí)，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(shí)宜采用真空壓漿，以提高預(yù)應(yīng)力管道的壓漿質(zhì)量。(4)箱梁普通鋼筋的配置，應(yīng)盡量滿足抗扭的需要，抗扭縱筋和箍筋應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)加強(qiáng)。對(duì)于箱梁頂、底板橫向鋼筋和箱梁箍筋應(yīng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)布置、焊接或綁扎成一個(gè)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(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土曲線梁橋，在布置鋼束時(shí)，鋼束宜適當(dāng)向曲線外側(cè)布置，適當(dāng)加大曲線內(nèi)側(cè)波紋管的混凝土保護(hù)層厚度。為了防止鋼束在張拉時(shí)從腹板內(nèi)崩出，沿鋼束長度應(yīng)設(shè)置足夠數(shù)量的防崩鋼筋。設(shè)置普通鋼筋時(shí)，腹板內(nèi)、外側(cè)鋼筋宜設(shè)置拉筋，使內(nèi)、外側(cè)鋼筋同時(shí)受力，保證箱梁的安全。(6)對(duì)于中間支點(diǎn)為單支承的曲線梁橋，應(yīng)根據(jù)計(jì)算，設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)偏心。若非條件所限，為了保證結(jié)構(gòu)在偏載作用下的穩(wěn)定，應(yīng)盡量避免單點(diǎn)支撐設(shè)計(jì)。7結(jié)語相對(duì)于直線橋梁來說，曲線橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算及設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。在實(shí)際計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面，根據(jù)橋梁的具體情況，選用合適的計(jì)算方法，確保計(jì)算結(jié)