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摘要:预应力混凝土连续弯梁桥的设计是一项复杂多变的工作,在进行箱梁结构设计时,对每一主要尺寸的拟定,都要考虑结构受力的要求和布置钢筋的构造要求;并采取适当的计算方法,对结构进行纵横向计算分析,以保证设计的安全性。本文即结合工程实例详细阐述了预应力混凝土连续弯梁桥设计中的相关要点。
关键词:连续弯梁桥;预应力混凝土;跨径;构造设计;支座
中图分类号:TU37 文献标识码: A
一、工程概况
某工程 D 匝道第二联平面位于圆曲线内,路线中心线平面半径为80m,联长66m,跨径布置为3×22m,桥宽8.5m,为单幅桥梁,横向设有4%的超高。下部结构采用花瓶墩,钻孔灌注桩基础。桥梁结构体系为单箱单室等截面预应力混凝土连续弯梁桥。
(一)设计技术标准
设计行车速度:35km/h。
设计荷载:公路I级。
设计安全等级: 一级。
环境类别:I类。
(二)主要材料
钢筋混凝土连续弯梁桥采用C50混凝土,墩身、支座垫石采用C40混凝土,承台、基桩采用C30混凝土。桥面铺装采用6cm C40 现浇混凝土层+10cm沥青混凝土层。
普通钢筋: 直径≥12mm,均采用热轧 HRB335级钢筋;直径<12mm,均采用热轧 R235 钢筋。
支座采用GPZ(2009)盆式橡胶支座。
二、结构设计及分析
(一)桥梁跨径布置
随着道路等级的提高及交通功能的变化,预应力混凝土连续弯箱梁桥的建设得到广泛应用,箱形截面形状与悬臂尺寸变化增多,并趋向于采用带横向大悬臂的构造形式,而且往往采用整体现浇混凝土施工工艺。近几年来,为简化施工工艺,施工单位总希望减少横隔板;设计部门设计的箱梁截面也日趋纤薄,这些变化带来了钢筋混凝土连续弯箱梁桥的裂缝问题,因此在箱梁的构造设计中,应特别注意预防钢筋混凝土连续弯箱梁裂缝的产生。
从已建成的桥梁来看,梁端内侧支座脱空现象比较严重,主要是因为内侧支座反力太小甚至出現了负值。为使内侧支座处于受压状态,并且有一定的压力储备,比较有效的办法就是控制边跨跨径,使边跨跨径与中跨跨径相接近。工程实践表明,边跨为中跨的0.8倍为宜,但也可采取等跨布置。当受实际条件限制,
边跨跨径与中跨跨径相差较大时,要采取如调整边跨与中跨的自重等一些措施。
(二)上部构造设计
1、考虑剪力滞效应
对称荷载作用下使箱梁翼缘在宽度方向的正应力呈不均匀分布的现象称为剪力滞后效应,简称剪力滞。剪力流在横向传递过程中的滞后现象,是由翼缘板的剪切变形引起的,表现为腹板两侧翼缘上的弯曲应力分布不均匀。工程设计中常用“翼缘有效分布宽度”的概念来考虑剪力滞效应的影响。
2、加强箱梁的构造设计
目前在连续弯箱梁桥结构设计中存在的主要问题有:箱梁在横桥向越来越宽,竖向高度越来越高,为了减轻恒载重力,箱梁的顶、底板,尤其是腹板都设计得很薄,因而使箱梁截面的抗剪能力减小;为了施工方便,在箱梁中设置了较少的横隔板,大大降低了箱梁的抗扭能力和抗畸变能力。鉴于上述原因,在箱梁构造设计中应注意以下几点。
(1)增加横隔板
对于连续弯箱梁桥,仅在箱梁的支承处设置横隔板不能满足要求,应在支座之间的桥跨部分,也根据跨径按一定的间距设置横隔板,提高箱梁截面的横向刚度,限制畸变应力。
(2)布置加强钢筋网
为了加强箱梁顶板的强度和刚度,可在箱梁顶板上增设直径不大于12mm,间距为10cm的钢筋网,减少箱梁负弯矩作用区裂缝在车辆荷载作用下的继续扩展。
此外,通过在桥面铺装层增设横向钢筋,加强桥面板与桥面铺装的粘结,也可以达到减少裂缝的目的。在翼板底部加铺直径不大于12mm的钢筋网,以防止翼板产生横桥向裂缝。钢筋网应尽量使用小直径的螺纹钢筋,以便尽可能地增加混凝土与钢筋之间的粘结力。为了防止箱梁腹板产生收缩裂缝,当箱梁高度大于0.6m时,在箱梁腹板两侧沿梁高,应布置一定数量的纵向水平防裂钢筋。
(3)板的合理厚度
增加腹板的厚度会增加箱梁的自重,但能较好地改善截面上正应力、剪应力和主拉应力。腹板的最小厚度首先要满足构造要求,一般取30cm~40cm。为了加强箱梁在墩台附件的抗剪能力,箱梁腹板的厚度在支承两侧各3m左右应加厚50%为宜。对于顶板首先应满足桥面板的受力要求,其次应满足钢筋的构造要求。底板的最小尺寸根据公路桥梁规范为20cm,顶板尺寸一般以比底板稍大为宜。
(4)边跨正弯矩区配筋
当采用等截面等跨径连续梁时,连续箱梁边跨的正弯矩比其他中间跨的正弯矩要大,因此,边跨正弯矩区应配置更多的钢筋。
3、选择适当的温度梯度曲线
温度梯度曲线的选取与温度附加力的计算关系很大,如果温度梯度曲线选择不合适,因为温度自应力会导致任意截面上的温度应力增大,并可能增加腹板的主拉应力,使斜截面的抗裂性劣化,故即使增大温度设计值,也不能保证箱梁结构的抗裂性。
我国现行的桥梁设计规范中关于温度梯度的规定过于简单化,计算结果偏不安全。目前在尚无足够的试验资料可以用来确定温度梯度形式的情况下,应借鉴各国规范中的有关规定进行设计计算。本工程侨联上部构造设计综合考虑上述各种因素,决定采用单箱单室等截面箱梁,梁高为1.3m,顶、底板厚度均为20cm,腹板厚度为50cm。
(三)下部构造设计
该桥采用花瓶式矩形桥墩。当采用墩柱与梁固结的支承形式时,就必须注意墩柱的弯矩变化。在主梁的扭转变形过大同时墩柱弯矩也很大(一般墩柱较矮)的情况下,宜采用矩形截面墩柱。因为矩形截面沿主梁纵向抗弯刚度较小,而沿主梁横向抗弯刚度较大,这样既减小了墩柱的配筋又降低了主梁的横向扭转变形,更适合其受力特点。
根据地质资料显示,桥位处沿桥梁纵向的地基强度存在较大差异,且局部存在孤石,所以,桥墩基础均采用钻孔灌注桩,且穿过孤石。制动墩采用双排桩,桩径为130cm,承台厚200cm。 普通墩采用单排桩,桩径160 cm,承台厚200 cm。
桥台为钢筋混凝土U型桥台,台身宽10 m,桥台侧墙长为3 m,厚1m。 背墙厚度 1.0m,前墙厚度1.1m,前墙宽度5.6m,前墙用于搁置主梁,背墙后侧设牛腿,用于搁置搭板。
(四)支座的布置
鉴于弯梁桥的受力特点,为了避免弯梁桥在使用过程中出现支座脱空,该桥结构分析重点验算桥梁的支座反力。
该桥位于路线中心线 R =80m 的平面内,为抵消因扭矩引起的的不平衡支反力,各支座均向曲线外侧设置15cm 支座预偏心,支座间距为 230cm。根据调整后的支座间距得出弯梁桥的支座反力,本次设计确定支座间距的荷载工况见下表。
表恒荷载 + 汽车荷载外偏 + 离心力 +整体升温 + 截面升温
三、预应力混凝土连续弯梁桥设计中应注意的问题
(一)梁体的弯扭耦合作用
曲线梁在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩,并且互相影响,使梁截面处于弯扭耦合作用的状态,其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多,这是曲梁独有的受力特点。由于受到强大的弯矩耦合作用,其竖向挠度大于同跨径的直桥,同时,弯桥曲线外侧的挠度大于内边缘的挠度,这种情况随着曲率半径的减小愈发严重。
(二)内梁和外梁受力不均匀
直线桥中只有当荷载偏心时才产生扭转力矩,而在曲线梁桥中,无论荷载偏心与否都有扭矩产生,通常会使外梁超载、内梁卸载,尤其在宽桥情况下的内、外梁差异更大,甚至出现梁体与支座的脱离,即“支座脱空”现象。
(三)侧向稳定温度、活载影响
超载车辆是引起国内多起弯桥倾覆事故的重要原因,另外,日照升温和季节温度变化也是导致弯桥运营多年后,出现支座破坏和梁体侧向位移的主要原因,设计时必须考虑温度梯度、均匀升温下的荷载组合效应。
参考文献
[1]潘黎明.浅谈曲线桥梁设计计算[J].山西建筑,2010.2.
[2]肖来国.浅谈连续弯梁桥结构设计的特殊性[J].中国新技术新产品,2011.9.
[3]杨勇.浅谈连续弯梁桥设计[J].中国水运(下半月),2008.3.
关键词:连续弯梁桥;预应力混凝土;跨径;构造设计;支座
中图分类号:TU37 文献标识码: A
一、工程概况
某工程 D 匝道第二联平面位于圆曲线内,路线中心线平面半径为80m,联长66m,跨径布置为3×22m,桥宽8.5m,为单幅桥梁,横向设有4%的超高。下部结构采用花瓶墩,钻孔灌注桩基础。桥梁结构体系为单箱单室等截面预应力混凝土连续弯梁桥。
(一)设计技术标准
设计行车速度:35km/h。
设计荷载:公路I级。
设计安全等级: 一级。
环境类别:I类。
(二)主要材料
钢筋混凝土连续弯梁桥采用C50混凝土,墩身、支座垫石采用C40混凝土,承台、基桩采用C30混凝土。桥面铺装采用6cm C40 现浇混凝土层+10cm沥青混凝土层。
普通钢筋: 直径≥12mm,均采用热轧 HRB335级钢筋;直径<12mm,均采用热轧 R235 钢筋。
支座采用GPZ(2009)盆式橡胶支座。
二、结构设计及分析
(一)桥梁跨径布置
随着道路等级的提高及交通功能的变化,预应力混凝土连续弯箱梁桥的建设得到广泛应用,箱形截面形状与悬臂尺寸变化增多,并趋向于采用带横向大悬臂的构造形式,而且往往采用整体现浇混凝土施工工艺。近几年来,为简化施工工艺,施工单位总希望减少横隔板;设计部门设计的箱梁截面也日趋纤薄,这些变化带来了钢筋混凝土连续弯箱梁桥的裂缝问题,因此在箱梁的构造设计中,应特别注意预防钢筋混凝土连续弯箱梁裂缝的产生。
从已建成的桥梁来看,梁端内侧支座脱空现象比较严重,主要是因为内侧支座反力太小甚至出現了负值。为使内侧支座处于受压状态,并且有一定的压力储备,比较有效的办法就是控制边跨跨径,使边跨跨径与中跨跨径相接近。工程实践表明,边跨为中跨的0.8倍为宜,但也可采取等跨布置。当受实际条件限制,
边跨跨径与中跨跨径相差较大时,要采取如调整边跨与中跨的自重等一些措施。
(二)上部构造设计
1、考虑剪力滞效应
对称荷载作用下使箱梁翼缘在宽度方向的正应力呈不均匀分布的现象称为剪力滞后效应,简称剪力滞。剪力流在横向传递过程中的滞后现象,是由翼缘板的剪切变形引起的,表现为腹板两侧翼缘上的弯曲应力分布不均匀。工程设计中常用“翼缘有效分布宽度”的概念来考虑剪力滞效应的影响。
2、加强箱梁的构造设计
目前在连续弯箱梁桥结构设计中存在的主要问题有:箱梁在横桥向越来越宽,竖向高度越来越高,为了减轻恒载重力,箱梁的顶、底板,尤其是腹板都设计得很薄,因而使箱梁截面的抗剪能力减小;为了施工方便,在箱梁中设置了较少的横隔板,大大降低了箱梁的抗扭能力和抗畸变能力。鉴于上述原因,在箱梁构造设计中应注意以下几点。
(1)增加横隔板
对于连续弯箱梁桥,仅在箱梁的支承处设置横隔板不能满足要求,应在支座之间的桥跨部分,也根据跨径按一定的间距设置横隔板,提高箱梁截面的横向刚度,限制畸变应力。
(2)布置加强钢筋网
为了加强箱梁顶板的强度和刚度,可在箱梁顶板上增设直径不大于12mm,间距为10cm的钢筋网,减少箱梁负弯矩作用区裂缝在车辆荷载作用下的继续扩展。
此外,通过在桥面铺装层增设横向钢筋,加强桥面板与桥面铺装的粘结,也可以达到减少裂缝的目的。在翼板底部加铺直径不大于12mm的钢筋网,以防止翼板产生横桥向裂缝。钢筋网应尽量使用小直径的螺纹钢筋,以便尽可能地增加混凝土与钢筋之间的粘结力。为了防止箱梁腹板产生收缩裂缝,当箱梁高度大于0.6m时,在箱梁腹板两侧沿梁高,应布置一定数量的纵向水平防裂钢筋。
(3)板的合理厚度
增加腹板的厚度会增加箱梁的自重,但能较好地改善截面上正应力、剪应力和主拉应力。腹板的最小厚度首先要满足构造要求,一般取30cm~40cm。为了加强箱梁在墩台附件的抗剪能力,箱梁腹板的厚度在支承两侧各3m左右应加厚50%为宜。对于顶板首先应满足桥面板的受力要求,其次应满足钢筋的构造要求。底板的最小尺寸根据公路桥梁规范为20cm,顶板尺寸一般以比底板稍大为宜。
(4)边跨正弯矩区配筋
当采用等截面等跨径连续梁时,连续箱梁边跨的正弯矩比其他中间跨的正弯矩要大,因此,边跨正弯矩区应配置更多的钢筋。
3、选择适当的温度梯度曲线
温度梯度曲线的选取与温度附加力的计算关系很大,如果温度梯度曲线选择不合适,因为温度自应力会导致任意截面上的温度应力增大,并可能增加腹板的主拉应力,使斜截面的抗裂性劣化,故即使增大温度设计值,也不能保证箱梁结构的抗裂性。
我国现行的桥梁设计规范中关于温度梯度的规定过于简单化,计算结果偏不安全。目前在尚无足够的试验资料可以用来确定温度梯度形式的情况下,应借鉴各国规范中的有关规定进行设计计算。本工程侨联上部构造设计综合考虑上述各种因素,决定采用单箱单室等截面箱梁,梁高为1.3m,顶、底板厚度均为20cm,腹板厚度为50cm。
(三)下部构造设计
该桥采用花瓶式矩形桥墩。当采用墩柱与梁固结的支承形式时,就必须注意墩柱的弯矩变化。在主梁的扭转变形过大同时墩柱弯矩也很大(一般墩柱较矮)的情况下,宜采用矩形截面墩柱。因为矩形截面沿主梁纵向抗弯刚度较小,而沿主梁横向抗弯刚度较大,这样既减小了墩柱的配筋又降低了主梁的横向扭转变形,更适合其受力特点。
根据地质资料显示,桥位处沿桥梁纵向的地基强度存在较大差异,且局部存在孤石,所以,桥墩基础均采用钻孔灌注桩,且穿过孤石。制动墩采用双排桩,桩径为130cm,承台厚200cm。 普通墩采用单排桩,桩径160 cm,承台厚200 cm。
桥台为钢筋混凝土U型桥台,台身宽10 m,桥台侧墙长为3 m,厚1m。 背墙厚度 1.0m,前墙厚度1.1m,前墙宽度5.6m,前墙用于搁置主梁,背墙后侧设牛腿,用于搁置搭板。
(四)支座的布置
鉴于弯梁桥的受力特点,为了避免弯梁桥在使用过程中出现支座脱空,该桥结构分析重点验算桥梁的支座反力。
该桥位于路线中心线 R =80m 的平面内,为抵消因扭矩引起的的不平衡支反力,各支座均向曲线外侧设置15cm 支座预偏心,支座间距为 230cm。根据调整后的支座间距得出弯梁桥的支座反力,本次设计确定支座间距的荷载工况见下表。
表恒荷载 + 汽车荷载外偏 + 离心力 +整体升温 + 截面升温
三、预应力混凝土连续弯梁桥设计中应注意的问题
(一)梁体的弯扭耦合作用
曲线梁在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩,并且互相影响,使梁截面处于弯扭耦合作用的状态,其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多,这是曲梁独有的受力特点。由于受到强大的弯矩耦合作用,其竖向挠度大于同跨径的直桥,同时,弯桥曲线外侧的挠度大于内边缘的挠度,这种情况随着曲率半径的减小愈发严重。
(二)内梁和外梁受力不均匀
直线桥中只有当荷载偏心时才产生扭转力矩,而在曲线梁桥中,无论荷载偏心与否都有扭矩产生,通常会使外梁超载、内梁卸载,尤其在宽桥情况下的内、外梁差异更大,甚至出现梁体与支座的脱离,即“支座脱空”现象。
(三)侧向稳定温度、活载影响
超载车辆是引起国内多起弯桥倾覆事故的重要原因,另外,日照升温和季节温度变化也是导致弯桥运营多年后,出现支座破坏和梁体侧向位移的主要原因,设计时必须考虑温度梯度、均匀升温下的荷载组合效应。
参考文献
[1]潘黎明.浅谈曲线桥梁设计计算[J].山西建筑,2010.2.
[2]肖来国.浅谈连续弯梁桥结构设计的特殊性[J].中国新技术新产品,2011.9.
[3]杨勇.浅谈连续弯梁桥设计[J].中国水运(下半月),2008.3.