曲線梁橋的受力施工特點及設計方法分析
摘要：介紹了曲線梁橋的力學特性，結構分析及應注意的幾點問題，施工特性及設計方法。
關鍵詞：曲線梁橋，結構，施工
近年來,隨著公路建設事業的快速發展,涉及到曲線梁的橋梁設計已經越來越多了,以往設計者希望通過調整路線方案,盡量避開這種結構形式,或由于曲線半徑較大,采用以“直”代“曲”的形式,在橋梁上部(如翼緣、護欄等)進行曲線調整,以期達到與路線線形一致。這些嚴格意義上說都不是曲線橋。由于受原有地物或地形的限制,一些城市的立交橋梁和交叉工程的橋梁曲線半徑比較小,橋墩基本上要設在指定位置,這種情況下只能考慮設計曲線梁橋。
1曲線梁橋的力學特性
1.1曲線梁的受力情況
曲線梁橋能很好地克服地形、地物的限制,可以讓設計者較自由地發揮自己的想象,通過平順、流暢的線條給人以美的享受。但是曲線梁橋的受力比較復雜。與直線梁相比,曲線梁的受力性能有如下特點: (1)軸向變形與平面內彎曲的耦合; (2)豎向撓曲與扭轉的耦合; (3)它們與截面畸變的耦合。其中最主要的是撓曲變形和扭轉變形的耦合。曲梁在豎向荷載和扭距作用下,都會同時產生彎距和扭距,并相互影響。同時彎道內外側支座反力不等,內外側反力差引起較大的扭距,使梁截面處于“彎-扭”耦合作用狀態,其截面主拉應力比相應的直梁橋大得多。故在曲線梁橋中,應選用抗扭剛度較大的箱型截面形式。在曲梁中,由于存在較大的扭矩,通常會出現“外梁超載,內梁卸載”的現象,這種現象在小半徑的寬橋中特別明顯。另外,由于曲梁內外側支座反力有時相差很大,當活載偏置時,內側支座甚至會出現負反力,如果支座不能承受拉力,就會出現梁體與支座發生脫離的現象,通常稱為“支座脫空”。
1.2下部橋梁墩臺的受力情況
由于內外側支座反力不相等,使各墩柱所受垂直力出現較大差距。當扭矩很大時,如果設置了拉壓支座,有些墩柱甚至會出現拉力。曲線梁橋下部結構墩頂水平力,除了與直橋一樣,有制動力、溫度力、地震力等以外,還因為彎梁曲率的存在,多了離心力和預應力張拉時產生的徑向力。墩頂水平力的分配非常復雜。在求溫度零點時,曲線梁橋不能象直橋一樣,只考慮一個方向力的平衡,而必須考慮兩個方向的平衡;各墩頂處支座的類型和位置不一致,部分支座可能已處于臨界滑移狀態,其余支座還未達到臨界狀態;各支座的約束方向以及各墩柱不在同一平面內,使得水平力求解非常困難。
2曲線梁橋的結構分析
2.1上部結構分析
2.1.1結構力學方法
這種方法沿用桿系系統的結構力學方法。首先將彎梁視為一根曲桿,把抗扭支座以贅余扭矩代替,然后根據變形協調條件求解未知力。這種方法較簡單,比較適用于分析簡支彎梁和等截面且跨內為圓弧的窄橋。
2.1.2梁格法
梁格法是目前最常用的分析彎梁橋的方法。梁格法實質是用一個等效的梁格來代替橋梁上部結構,是一種以梁為基本單元的有限元法。這種方法概念明確,容易理解和使用,也比較容易操作,計算速度也比較快?，F有的計算曲線梁梁橋軟件,如同濟大學開發的“橋梁博士”和廣州阿安畢公司開發的“3DBSA”,都采用了梁格法。
2.1.3空間有限元法
空間有限元法是最有效的分析方法。這種方法常采用體單元和殼單元來模擬結構,能計算任意形狀的復雜結構,特別地,它能針對結構的局部作精確分析,這是上述兩種計算方法無法做到的。對于一些特殊的曲線梁橋,比如非徑向支承的異型橋梁等,采用空間有限元法分析是非常有必要的。此外,如果要了解曲線梁橋的穩定與振動特性,也必須采用空間有限元法。常用的空間有限元軟件有MIDAS、ANSYS、SAP2000等。采用空間有限元法的缺點是計算工作量較大,在當前情況下,采用這種方法計算,需要付出較多的時間。
2.2下部結構分析
與直橋相比,曲線梁橋下部結構分析要復雜得多。在荷載方面,曲線梁橋除了與直橋一樣要承受各種外荷載,如自重、車輛荷載、溫度力、地震力等,還要承受離心力、曲梁內預應力索產生的徑向力等;在墩頂水平力的分配方面,由于曲線梁橋不能象直橋一樣,在求溫度零點時不能只考慮一個方向的平衡,而要考慮兩個方向的平衡,求出“不動點(轉動中心)”;由于上部結構的扭轉作用,各墩的軸力有很大的差異,在確定樁長時要特別注意這種情況;此外,由于各支座約束情況不一樣,也會影響到各墩內力的分配。長期以來,人們對曲線梁橋上部結構分析比較重視。就目前的情況看,有關曲線梁橋上部結構分析的專著比較多,理論也比較成熟。與上部結構相比,針對曲線梁橋下部結構的研究還不夠深入。
3曲線梁橋設計應注意的幾個問題
3.1總體布置
在進行橋梁總體布置時,要考慮兩個方面問題:從結構受力方面,要注意調整梁內的扭矩分布,控制扭矩峰值,使梁截面以及支座受力較均勻;從結構變形方面,要注意控制梁端縱橫向變位及翹曲變形,使之符合規范要求。要得到這些結果,主要是靠調整跨徑搭配和處理邊界條件。
3.1.1跨徑的搭配
從已建成的橋梁看,梁端內側支座“脫空”現象比較嚴重,主要是因為內側支座反力太小甚至出現了負值。所以,我們要使內側支座處于受壓狀態,并且要有一定的壓力儲備。比較有效的辦法是控制邊跨跨徑,使邊跨跨徑與中跨比較接近。當受實際條件限制,邊跨跨徑與中跨差距較大時,也可考慮采取其他一些措施,比如調整邊跨與中跨的自重等。
3.1.2邊界條件
邊界條件影響到整個結構的受力狀態。在實際設計時,要分別采用不同的約束進行試算,然后決定結構的邊界條件。
3.2曲線梁的結構設計
直梁橋受“彎、剪”作用,而曲線梁橋處于“彎、剪、扭”的復合受力狀態,故上、下部結構必須構成有利于抵抗“彎、剪、扭”的措施。
3.2.1曲線梁橋的彎扭剛度比對結構的受力狀態和變形狀態有著直接的關系:彎扭剛度比越大,由曲率因素而導致的扭轉彎形越大,因此,對于曲線梁橋而言在滿足豎向變形的前提下,應盡可能減小抗彎剛度、增大抗扭剛度。所以在曲線橋梁中,宜選用低高度梁和抗扭慣矩較大的箱形截面。
3.2.2在曲線梁橋截面設計時,要在橋跨范圍內設置一些橫隔板,以加強橫橋向剛度并保持全橋穩定性。在截面發生較大變化的位置,要設漸變段過渡,減小應力集中效應。
3.2.3在進行配筋設計時要充分考慮扭矩效應,彎梁應在腹板側面布置較多受力鋼筋,其截面上下緣鋼筋也比同等跨徑的直橋多,且應配置較多的抗扭箍筋。
3.2.4城市立交橋中的彎箱梁橋中墩多布置成獨柱支承構造。在獨柱式點鉸支承曲線連續梁中,上部結構在外荷載作用下產生的扭矩不能通過中間支承傳至基礎,而只能通過曲梁兩端抗扭支承來傳遞,從而易造成曲梁產生過大扭矩。為減小曲線梁橋梁體受扭對上、下部結構產生的不利影響,可采用以下方法進行結構受力平衡的調整:①為減小此項扭矩的影響,比較有效的辦法是通過調整獨柱支承偏心值來改善主梁受力。②通過預應力筋的徑向偏心距來消除曲梁內某些截面過大的扭矩,改善主梁的受力狀態也是一種行之有效的辦法。預應力曲線梁往往產生向外偏轉的情況,這是由其結構特點造成的。預應力產生的扭矩分布和自重、恒載作用下的扭矩分布規律有著較大的區別,為調整扭矩分布,可在曲線梁軸線兩側采用不同的預應力鋼束及錨下控制應力,構成預應力束應力的偏心,形成內扭矩來調整曲線梁扭矩分布。
3.2.5下部支承方式的確定。曲線梁橋的不同支承方式,對其上、下部結構內力影響非常大。對于曲線梁橋,中間支承一般分為兩種類型:抗扭型支承(多支點或墩梁固結)和單支點鉸支承。在曲線梁橋選擇支承方式時,可遵循以下原則:①對于較寬的橋(橋寬B>12m)和曲線半徑較大(一般R>100m)的曲線梁橋,由于主梁扭轉作用較小,橋體寬要求主梁增加橫向穩定性,故在中墩宜采用具有抗扭較強的多柱或多支座的支承方式,亦可采用墩柱與梁固結的支承形式。②對于較窄的橋(橋寬B≤12m)和曲線半徑較小(一般約R≤100m)的曲線梁橋,由于主梁扭轉作用的增加,尤其在預應力鋼束徑向力的作用下,主梁橫向扭矩和扭轉變形很大。由于橋窄因此宜采用獨柱墩,但在選用支承結構形式時應視墩柱高度不同而確定。較高的中墩可采用墩柱與梁固結的結構支承形式。較低的中墩可采用具有較弱抗扭能力的單點支承的方式。這樣可有效降低墩柱的彎短和減小主梁的橫向扭轉變形。但這兩種交承方式都需對橫向支座偏心進行調整。③墩柱截面的合理選用。當采用墩柱與梁固結的支承形式時就必須注意墩柱的彎矩變化。在主梁的扭轉變形過大同時墩柱彎矩也很大(一般墩柱較矮)的情況下,宜采用矩形截面墩柱。因為矩形截面沿主梁縱向抗彎剛度較小,而沿主梁橫向抗彎剛度較大,這樣既減小了墩柱的配筋又降低了主梁的橫向扭轉變形,更適合其受力特點。
3.3下部結構
曲線梁橋墩頂水平力分配比較復雜,而且橋墩所受的外力方向常發生變化,因此,墩柱要盡量采用圓形截面;曲線梁橋墩柱受到縱橫向水平力作用,墩身最大彎矩應是兩個方向的力矢量合成值;同一座橋墩各墩柱的軸力可能有差異,所以要調整墩柱位置,使墩柱受力均勻,避免出現墩柱受拉的情況;在計算樁柱配筋量時,要分別驗算各墩柱的內力,根據最不利組合進行配筋,在確定樁長時,要以軸力較大的墩柱進行控制。
4曲線梁橋設計中需要注意的其它問題
4.1所有中墩支座,盡可能橫橋向位移固定,可采用盆式或普通板式橡膠支座。
4.2當橋長較大(如大于100m),梁端支座應能順橋向自由滑動、橫橋向位移固定,可采用盆式橡膠支座,或附加了橫橋向位移固定裝置的四氟板橡膠支座;此外,梁端間隙和伸縮縫構造,應保證在最大升溫條件下,梁能夠不受阻礙地自由伸縮變形;當橋長較小時,梁端支座可以采用普通板式橡膠支座?！傲憾嗽O普通板式橡膠支座、所有中墩設橫橋向自由滑動的盆式支座”,對曲線梁橋是危險的,應絕對避免。
4.3當曲線梁橋比較寬、各墩也較寬時,應注意溫度變化時由于曲線梁水平彎曲變形在墩頂產生的橫橋向水平作用力可能會比較大,尤其是當所有中墩支座均為橫橋向位移固定時。
5 施工特點
5.1測設放樣 由于曲梁橋在平面和縱橫斷面上的變化較大,因而在施工放樣、標高控制、中線控制等方面都會增加許多麻煩,應予反復檢查、嚴格要求。另外,在進行預制底?？刂茣r,如果內外側邊梁因跨徑懸殊必須設置不同的預拱度時,應對其底模進行嚴格的標高控制。
5.2超高處理 曲梁橋的超高處理一般有兩種方法:①超高值較小,且在橋寬不大的情況下,建議將超高部分直接設置在橋面鋪裝上;②當超高值較大時,建議將一部分設在橋面鋪裝上,另一部分設在墩臺頂面上;當超高值不太大時,也可直接將超高部分全部設在墩臺頂部。
5.3邊板處理 對于預制的彎梁構件,其構件重心位置可能位于構件軸線以外(一般出現在內外側邊梁),在堆放時極易失穩傾覆,需增設臨時支撐;即使構件的重心位置位于構件的軸線以內,而在施工過程中,當橋面橫向聯結尚未形成而一些預制小構件如緣石、人行道板等已擱置于內外側邊梁的情況下,也可能引起構件的傾覆。因此,建議在施工內外側邊梁時,每隔5m左右預埋一塊鋼板,當架設完成后,利用短廢鋼筋將邊梁與相鄰梁連接在一起,以防傾覆破壞。
5.4主梁預制 因曲梁橋每一孔的各根主梁的構造尺寸不同,故施工時必須在每一根主梁上注明是某孔某號主梁,以防吊裝時出現錯誤。
5.5吊裝 吊裝最好使用大噸位吊車。在無此機械時,可利用導梁來吊裝,但在軌道的鋪設以及方位角的調整上要嚴格認真。
6設計方法
6.1設計參數的選定
在橋梁設計中,應根據路線線型的要求,確定梁橋的平曲線形狀,選定平曲線要素,再根據橋梁的使用要求和《公路工程技術規范》,確定彎梁橋的超高及加寬值,進而確定梁橋在直線段、圓曲線段和緩和曲線段的橋面凈寬和超高形式,進行梁橋的橫截面布置。在一般情況下,直線段的橫截面布置與路線行車道相同;圓曲線段的橋面寬度應計入加寬值;而緩和曲線段則需做成加寬漸變段形式。
6.2橋型的確定
在曲梁橋中,應用較廣的是連續梁和簡支梁。受曲線線型的限制,連續彎梁橋一般選用箱梁(附加異性邊梁)為最佳方案,而簡支梁橋,則以選用空心板梁(附加異性邊板)為最佳方案。
6.3平面線型的布置
6.3.1常用板梁平面布置法
(1)各墩臺平行布置,如圖1所示。各墩臺與路線交角不相同,各墩臺蓋梁上的支座位置也不一樣,幾何及下部結構設計較為復雜。在曲線半徑較大、橋長較短時較為適用。其優點是各孔(或全橋)為預制梁,可保持等長度,斜交角度較小。缼點是由于梁(板端角度不同,墩、臺長度不一致,使得設計和施工相對較為復雜。
圖1 平行布置法
(2)各墩臺等角度布置,如圖2所示。
圖2 等角度布置法
各墩臺與路線交角相同,下部結構及幾何設計較為簡單,橋梁較長時較為適用。可利用現澆梁端長度或連續梁現澆中橫梁變寬度來調整預制梁長度,使得預制梁長度保持一致。當曲線半徑較小時,因中橫梁變寬度受到限制,此時可采用變預制梁長度進行設計,當左右兩幅內外側(左、右)梁長度變化較大時,建議梁長按內弧(或內弦)控制,采用內、外兩幅分別布置(如圖2使內Li右= Li中),此時雖然各墩臺軸線稍有錯開,但適應山區水少的特點,最主要的是可以保證全橋預制梁長度一致,方便了設計和施工。
6.3.2預制空心板梁的布設方法
(1)位于曲線上的橋梁,當路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內的曲線矢高Hs≤5 cm時,按直橋設計,采用將橋梁中心線向曲線外側平移Hs/2的平分中矢法調整橋梁平面線形,護欄按曲線設置。
(2)位于曲線上的橋梁,當路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內的曲線矢高Hs>5 cm時,按折線布孔,原則上從橋梁中心樁號向兩側敷設,以曲線內側弦長為標準跨徑按折線布置。
(3)當內外側梁長之差小于等于標準跨徑的2%時,橋梁布設以路線中心線為準,按標準跨徑設置,優先考慮等角度布設。即橋墩徑向布置,橋臺軸線旋轉后與預制梁端平行(與路線中心線不一定垂直),使得橋臺伸縮縫預留縫等寬。
(4)當內外側梁長之差大于標準跨徑的2%時,橋梁布設以左右半幅橋梁中心線為準,按標準跨徑設置,考慮采用平行布設。
6.4離心力的考慮
當彎梁橋的曲率半徑ρ>250 m時,可以不計離心力的作用;當ρ≤250 m時,必須計入離心力對結構物受力的影響。根據《公路橋涵設計規范》:離心力的作用點可直接移至橋面,但對“獨柱墩式”的彎梁橋結構,作此簡化是偏于不安全的。因此在設計時,建議離心力以如下方法考慮:先將離心力Fc移至橋面上,并采用力矩Mc代替外轉矩,或再將Mc用豎直力表示,則Fcv= Mc/a。
6.5經濟性考慮
因為彎梁橋的內、外側邊梁的尺寸往往比中梁結構的尺寸大許多,從經濟性出發,建議將內外側邊梁及中梁進行分別設計。
7心得
綜上所述,解決曲線梁彎扭耦合所帶來的抗扭問題,除了考慮抗扭約束外,還可以從如下方面入手:一是通過偏心支承,利用主梁自身恒載調整主梁扭距分布;二是通過預應力,合理布置調整主梁扭距分布。實際設計中多用雙柱墩提供抗扭支承,而用獨柱墩通過預設支座偏心調整主梁扭距分布。這種經濟、合理的措施在城市高架橋,特別是曲線匝道的設計中被廣泛應用。所有這些問題的解決還有賴于設計者在實際工作中精確的結構計算,并在此基礎上采取必要的結構措施。在進行曲線梁橋計算時,應充分考慮橋梁寬度的因素。在車輛荷載的偏載作用下,寬曲梁橋的扭轉作用明顯加劇。根據《公路工程技術規范》的線型要求,掌握曲線梁橋的設計計算方法具有廣泛的實用意義。對我們橋梁專業的學生更是需要掌握，現在只是初步學習，對一些深層的知識還沒有能力掌握，不過在今后的工作實踐中我們會接觸大量的關于斜彎橋的知識的，那時不僅能夠鞏固大學時所學知識，還會有更多的自己的看法。通過學習和思考一些問題，使我對這門學科有了進一步的興趣，我會在今后生活工作中不斷關注相關知識，增強自己的專業水平。
