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摘要：城市道路、桥梁工程中,曲线梁桥是实现各方向交通连接的必要手段,介绍了此类桥梁的布置方式、结构设计和主要技术特点,可供同类桥梁的设计借鉴。
关键词：桥梁工程；曲线梁桥；支座偏心；结构设计
Abstract: urban road, bridge engineering, the curve is the realization of each direction bridge traffic connections necessary means, this paper introduces the arrangement of this kind of Bridges, structural design and the main technical characteristics, available for reference for design of similar Bridges.
Keywords: bridge engineering; Curve beam bridge; Bearing eccentric; Structure design
中图分类号：U445 文献标识码：A文章编号：
在公路立交及城市道路、桥梁工程中,曲线梁桥是实现各方向交通连接的必要手段,其中預应力混凝土曲线梁桥是经常使用的桥型之一。曲线梁桥在沿跨长的各个控制截面上,除承受弯矩和剪力外,还需承受一定的扭矩。
1 概 述
我国的桥梁设计理论和结构构造体系仍不够完善，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。
许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。
2 结构设计
2.1 主要技术指标
汽车荷载等级：公路-1级。桥宽为12.5m。地震动峰值加速度：0.15g(对应抗震设防烈度Ⅶ度),结构重要性系数：1.1。
2.2 结构构造设计
本桥平面位于曲线上,在沿跨长的各个控制截面上,除承受弯矩和剪力外,还承受一定的扭矩,故主桥采用单箱双室预应力混凝土连续箱梁,梁高2.0m,跨中截面见图1,箱梁底板保持4%的倾斜,顶板倾斜同桥面横坡,桥面横坡通过箱梁腹板高度调整而成。全桥除在支点处设横隔梁外,由于本桥处于曲线上,为增加整体横向整体性和抗扭作用,还在各跨跨中设置1道30cm厚横隔板,端横梁宽1.5m,独柱中横梁宽2.2m,其他中横梁宽2.0m。
图1 第3联跨中截面(单位：cm)
本桥平面与下穿主线交叉角度较大,设计采用斜桥正做,9#桥墩位于主线中分带内,故9#墩设置为独柱墩,本联内其余7#、8#、10#、11#桥墩均设置为双柱墩。支座的设置考虑到曲线梁桥平面内有1个不动点,在9#墩墩顶设置固定支座,其余各双柱墩墩顶曲线内侧设置为单向顺桥向盆式支座,曲线外侧均设置成双向盆式支座。
2.3 预应力布置
主桥根据受力计算配有纵向预应力束,布置了腹板束、顶板短束、底板短束,分别采用15-14Φs 15.2 mm、15-15Φs 15.2 mm、15-15Φs 15.2 mm,锚具采用0VM15-14、0VM15-15,波纹管采用镀锌金属波纹圆管。腹板束在梁的两端对称张拉,顶底板短束在箱梁内设置齿块,两端对称张拉。张拉控制应力σcon=0.75fpk=1395MPa。
2.4 结构计算
2.4.1 主要计算参数
体系整体升降温: ±25℃；基础不均匀沉降取0.7 cm；混凝土加载龄期为28 d；平均相对湿度80%,收缩徐变按l0年考虑；竖向梯度温度：正温差T1=14℃ ,T2=5.5℃ ,A=300 mm；负温差为正温差的 -0.5倍。预应力钢束管道摩阻系数μ=0.25,局部偏差系数k=0.0015,张拉控制应力1395 MPa。
2.4.2 计算理论及控制条件
现浇连续箱梁按一次落架模型,采用有限元程序Dr.Bridge V3.1和MIDAS Civil 2006对该桥的平面及空间进行计算分析。本桥按预应力混凝土A类构件设计,持久状况极限状态承载能力验算的荷载效应组合设计值进行计算(已计入桥梁重要性系数)。
2.4.3 预偏心设置
9#墩为无抗扭刚度的点铰支座,预设中间支座的偏心可改善桥梁的内扭矩,使最大、最小扭矩绝对值接近相等,从而减少抗扭钢筋的用量,同时也改善端部所受扭矩,使各支座受力均匀。纵梁划分为82个空间梁单元,采用刚臂模拟两端抗扭支座、点铰偏心支座和对应梁单元处的节点,且其刚度定义为无穷大。
图2 支座偏心对恒载扭矩的影响
图2为点铰支座不同偏心值时恒载作用下的扭矩图。可以看出,改变与偏心值对结构各截面受力的影响很大。随着预偏心值的变化,边跨扭矩近似发生了上下平移和微小的转动,在优化得出的e=0.05m下,边跨内正负扭矩绝对值近似相等。
2.4.4 主梁纵向计算
纵梁划分为82个单元,采用刚臂模拟两端抗扭支座及点铰偏心支座和对应梁单元处的节点,且其刚度定义为无穷大,支承节点号为84#～92#。图3为持久状况正常使用极限状态短期效应组合下的纵梁上缘、下缘最小应力值包络图,所有截面均满足规范要求,且有一定的富余。
图3 短期效应组合下的纵梁应力值
通过对结构进行计算分析,纵梁在持久状况承载能力极限状态强度与持久状况正常使用极限状态下的应力均满足规范要求。
2.4.5 预应力钢束摩阻损失
曲线梁桥的预应力钢束是具有双向曲率的空间曲线,它的摩擦应力损失计算与空间曲线的几何特性--挠率与曲率有关。对于曲线梁桥,所有预应力钢束在水平面的投影都应当是圆弧形,这种圆弧形不可能由成孔材料自然形成,只能由人工在较多的点上将其固定形成。这样得到的管道在水平面上的投影是通过所有固定点的折线形。每一个转折点都是一个局部偏差。固定点的间距越大,水平曲率半径越小,局部偏差越严重,故本桥在纵向计算时除了满足规范外,还保证一定的富余值。本桥为减少摩阻损失,一般定位钢筋网间距直线段为80cm,曲线段为50cm,平弯、竖弯段及箱梁梁底轮廓变化段应适当加密,且与箱梁钢筋牢固焊接,以保证施工过程中钢束位置不发生移动或变形。
2.4.6 预应力钢束的防崩钢筋
曲线梁桥预应力钢束沿箱梁腹板平面曲线线形变化而布置成水平曲线,预应力钢束对混凝土产生较大的径向力,它除对相邻两预应力束之间的混凝土产生局部承压作用外,还对预应力束与箱梁内弧侧之间的混凝土产生崩弹作用,故这种径向力对箱梁腹板的受力是很不利的。为了解决这个问题,在钢束布置时,相邻两预应力钢束之间留有17.2cm的混凝土厚度,箱梁腹板留有16cm的混凝土保护层来抵抗这种侧向崩弹力,同时在腹板内设置防崩钢筋。防崩钢筋示意见图4。
图4 防崩钢筋示意
3 结 语
曲线梁桥比直线梁桥的受力复杂,对结构的抗弯、抗扭性能要高于同等跨径的直线梁桥,本桥采用整体性好、抗扭刚度大的预应力混凝土连续箱梁桥。预应力混凝土曲线梁桥的支座平面要合理,设置支座偏心,只是起到内力重分布的效果,而不能最终抵消外扭矩的作用,但其经济效益却是显著的,可使多跨连续曲线梁桥的结构布局合理,在中间独柱墩支承向曲线外侧方向预设一定偏心值,可以调整曲线梁桥的梁体恒载扭矩分布,有效地降低两端抗扭支承的恒载扭矩值。预应力混凝土曲线梁桥中为了防止预应力束崩裂腹板,应设置防崩钢筋。
参考文献:
[1]JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].
[2]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[3]孙广华.曲线梁桥计算[M].北京：人民交通出版社.1997.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：桥梁工程；曲线梁桥；支座偏心；结构设计
Abstract: urban road, bridge engineering, the curve is the realization of each direction bridge traffic connections necessary means, this paper introduces the arrangement of this kind of Bridges, structural design and the main technical characteristics, available for reference for design of similar Bridges.
Keywords: bridge engineering; Curve beam bridge; Bearing eccentric; Structure design
中图分类号：U445 文献标识码：A文章编号：
在公路立交及城市道路、桥梁工程中,曲线梁桥是实现各方向交通连接的必要手段,其中預应力混凝土曲线梁桥是经常使用的桥型之一。曲线梁桥在沿跨长的各个控制截面上,除承受弯矩和剪力外,还需承受一定的扭矩。
1 概 述
我国的桥梁设计理论和结构构造体系仍不够完善，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。
许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。
2 结构设计
2.1 主要技术指标
汽车荷载等级：公路-1级。桥宽为12.5m。地震动峰值加速度：0.15g(对应抗震设防烈度Ⅶ度),结构重要性系数：1.1。
2.2 结构构造设计
本桥平面位于曲线上,在沿跨长的各个控制截面上,除承受弯矩和剪力外,还承受一定的扭矩,故主桥采用单箱双室预应力混凝土连续箱梁,梁高2.0m,跨中截面见图1,箱梁底板保持4%的倾斜,顶板倾斜同桥面横坡,桥面横坡通过箱梁腹板高度调整而成。全桥除在支点处设横隔梁外,由于本桥处于曲线上,为增加整体横向整体性和抗扭作用,还在各跨跨中设置1道30cm厚横隔板,端横梁宽1.5m,独柱中横梁宽2.2m,其他中横梁宽2.0m。
图1 第3联跨中截面(单位：cm)
本桥平面与下穿主线交叉角度较大,设计采用斜桥正做,9#桥墩位于主线中分带内,故9#墩设置为独柱墩,本联内其余7#、8#、10#、11#桥墩均设置为双柱墩。支座的设置考虑到曲线梁桥平面内有1个不动点,在9#墩墩顶设置固定支座,其余各双柱墩墩顶曲线内侧设置为单向顺桥向盆式支座,曲线外侧均设置成双向盆式支座。
2.3 预应力布置
主桥根据受力计算配有纵向预应力束,布置了腹板束、顶板短束、底板短束,分别采用15-14Φs 15.2 mm、15-15Φs 15.2 mm、15-15Φs 15.2 mm,锚具采用0VM15-14、0VM15-15,波纹管采用镀锌金属波纹圆管。腹板束在梁的两端对称张拉,顶底板短束在箱梁内设置齿块,两端对称张拉。张拉控制应力σcon=0.75fpk=1395MPa。
2.4 结构计算
2.4.1 主要计算参数
体系整体升降温: ±25℃；基础不均匀沉降取0.7 cm；混凝土加载龄期为28 d；平均相对湿度80%,收缩徐变按l0年考虑；竖向梯度温度：正温差T1=14℃ ,T2=5.5℃ ,A=300 mm；负温差为正温差的 -0.5倍。预应力钢束管道摩阻系数μ=0.25,局部偏差系数k=0.0015,张拉控制应力1395 MPa。
2.4.2 计算理论及控制条件
现浇连续箱梁按一次落架模型,采用有限元程序Dr.Bridge V3.1和MIDAS Civil 2006对该桥的平面及空间进行计算分析。本桥按预应力混凝土A类构件设计,持久状况极限状态承载能力验算的荷载效应组合设计值进行计算(已计入桥梁重要性系数)。
2.4.3 预偏心设置
9#墩为无抗扭刚度的点铰支座,预设中间支座的偏心可改善桥梁的内扭矩,使最大、最小扭矩绝对值接近相等,从而减少抗扭钢筋的用量,同时也改善端部所受扭矩,使各支座受力均匀。纵梁划分为82个空间梁单元,采用刚臂模拟两端抗扭支座、点铰偏心支座和对应梁单元处的节点,且其刚度定义为无穷大。
图2 支座偏心对恒载扭矩的影响
图2为点铰支座不同偏心值时恒载作用下的扭矩图。可以看出,改变与偏心值对结构各截面受力的影响很大。随着预偏心值的变化,边跨扭矩近似发生了上下平移和微小的转动,在优化得出的e=0.05m下,边跨内正负扭矩绝对值近似相等。
2.4.4 主梁纵向计算
纵梁划分为82个单元,采用刚臂模拟两端抗扭支座及点铰偏心支座和对应梁单元处的节点,且其刚度定义为无穷大,支承节点号为84#～92#。图3为持久状况正常使用极限状态短期效应组合下的纵梁上缘、下缘最小应力值包络图,所有截面均满足规范要求,且有一定的富余。
图3 短期效应组合下的纵梁应力值
通过对结构进行计算分析,纵梁在持久状况承载能力极限状态强度与持久状况正常使用极限状态下的应力均满足规范要求。
2.4.5 预应力钢束摩阻损失
曲线梁桥的预应力钢束是具有双向曲率的空间曲线,它的摩擦应力损失计算与空间曲线的几何特性--挠率与曲率有关。对于曲线梁桥,所有预应力钢束在水平面的投影都应当是圆弧形,这种圆弧形不可能由成孔材料自然形成,只能由人工在较多的点上将其固定形成。这样得到的管道在水平面上的投影是通过所有固定点的折线形。每一个转折点都是一个局部偏差。固定点的间距越大,水平曲率半径越小,局部偏差越严重,故本桥在纵向计算时除了满足规范外,还保证一定的富余值。本桥为减少摩阻损失,一般定位钢筋网间距直线段为80cm,曲线段为50cm,平弯、竖弯段及箱梁梁底轮廓变化段应适当加密,且与箱梁钢筋牢固焊接,以保证施工过程中钢束位置不发生移动或变形。
2.4.6 预应力钢束的防崩钢筋
曲线梁桥预应力钢束沿箱梁腹板平面曲线线形变化而布置成水平曲线,预应力钢束对混凝土产生较大的径向力,它除对相邻两预应力束之间的混凝土产生局部承压作用外,还对预应力束与箱梁内弧侧之间的混凝土产生崩弹作用,故这种径向力对箱梁腹板的受力是很不利的。为了解决这个问题,在钢束布置时,相邻两预应力钢束之间留有17.2cm的混凝土厚度,箱梁腹板留有16cm的混凝土保护层来抵抗这种侧向崩弹力,同时在腹板内设置防崩钢筋。防崩钢筋示意见图4。
图4 防崩钢筋示意
3 结 语
曲线梁桥比直线梁桥的受力复杂,对结构的抗弯、抗扭性能要高于同等跨径的直线梁桥,本桥采用整体性好、抗扭刚度大的预应力混凝土连续箱梁桥。预应力混凝土曲线梁桥的支座平面要合理,设置支座偏心,只是起到内力重分布的效果,而不能最终抵消外扭矩的作用,但其经济效益却是显著的,可使多跨连续曲线梁桥的结构布局合理,在中间独柱墩支承向曲线外侧方向预设一定偏心值,可以调整曲线梁桥的梁体恒载扭矩分布,有效地降低两端抗扭支承的恒载扭矩值。预应力混凝土曲线梁桥中为了防止预应力束崩裂腹板,应设置防崩钢筋。
参考文献:
[1]JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].
[2]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[3]孙广华.曲线梁桥计算[M].北京：人民交通出版社.1997.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。