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连续分叉曲线箱梁桥的计算分析与设计探讨.pdf

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连续分叉曲线箱梁桥的计算分析与设计探讨.pdf

文章编号04510712200308009505中图分类号U4481213文献标识码连续分叉曲线箱梁桥的计算分析与设计探讨刘钊1,王斌2,孟少平1,纪诚2,张宇峰11东南大学南京市210096;2南京市市政设计研究院南京市210008摘要南京新庄立交桥是一座以多层、多跨以及分叉连续为特色的预应力混凝土曲线梁结构。在讨论曲线箱梁基本受力特征的基础上,研究了分叉连续曲线箱梁桥的分析方法,并对预应力混凝土曲线箱梁桥设计中的若干问题进行了探讨。关键词预应力混凝土曲线梁;分析;设计1工程概况南京市新庄立交桥位于五路交叉口上,为4层部分互通式定向立交。为展示现代化城市立体交通的设计理念,保证交通顺畅,本工程在立交的平面布置上尽量采用曲线展线布置,在结构设计上,采用独立圆柱墩、多跨预应力连续曲线梁,在主线和匝道的分叉处,采用匝道主线连续的分叉式多跨预应力混凝土连续曲线箱梁,分叉处仅设置独柱墩。新庄立交桥上部结构由二、三、四层主线和匝道桥组成,除E匝道外,上部结构均采用预应力混凝土等截面连续箱梁。全桥共19联,每联3~5跨不等,跨径31~42M,梁高均为18M,箱梁最小跨高比达到12313。箱梁为50号混凝土,预应力束采用J1524高强低松弛钢绞线,锚具为XYM157夹片式群锚和KBM154扁锚,孔道采用预埋金属波纹管成型,箱梁施工采用满布支架整体现浇。桥墩为圆柱墩,每联的中墩多为带柱帽或不带柱帽的独柱墩,支座均采用盆式橡胶支座,桩基除个别墩采用550的管桩外,其余均为大直径人工挖孔桩。收稿日期20030213DESIGNSUMMARYOFMAINGIRDEROFXIAOGUANGLONGHIGHWAYBRIDGEINGUIYANGCITYXUZHANJUN1,SHENGXINGWANG1,LIUZHIJUN21INSTITUTEOFCIVILANDARCHITECTUREENGINEERING,CENTRALSOUTHUNIVERSITY,CHANGSHA410075,CHINA;2GUIYANGDEPARTMENTOFSECONDDESIGNINSTITUTEOFRAILWAYSGUIYANG550002,CHINAABSTRACTXIAOGUANGEXTRA2LONGBRIDGEONHIGHWAYSURROUNDINGTHECENTEROFGUIYANGCITYISAPRE2STRESSEDCONCRETECONTINUOUSRIGIDFRAMEBRIDGEWITHMAINSPANS69125160160112M,ANDITSHIGHESTPIERREACHES100MITHASPARTICULARFEATURESSUCHASLONGUNIT,LONGSPAN,HIGHPIERS,GREATSPANRATIOOFSIDE2TO2CENTERANDASYMMETRICMAINSPANSINTHISPAPER,GENERALARRANGEMENTANDSTRUCTURE,CON2STRUCTIONSCHEME,STRESSANDSTRAINOFMAINSPANWHENNOLOADISONASWELLASTHESTRUCTURALANALYSISOFCONJOINTPARTWITHSPATIALFINITEELEMENTMETHODAREGIVENTHEMAINPOINTSTOBENOTICEDINTHEPROCESSOFDESIGNANDTHEMEASURESADOPTEDAREINTRODUCEDINORDERTOPREVENTBIGDISPLACEMENTFROMASYMMETRY,ADISTINGUISHEDCONSTRUCTIONTECHNIQUEWITHWHICHAJACKINGFORCEISLOADEDONTHEMIDDLESPANBEFORECLOSUREISPRESENTEDKEYWORDSCONTINUOUSRIGIDFRAME;HIGHPIER,DESIGNPOINT;CLOSUREBYINCREMENTALLAUNCHING公路2003年8月第8期下HIGHWAYAUG12003NO1819952004TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED2曲线箱梁的基本受力特征曲线箱梁桥是空间结构,由于主梁的平面弯曲使得支座的支承点不在同一直线上,在荷载及预应力作用下将同时产生“弯扭”耦合内力和“弯扭”耦合变形,从而造成曲线梁的受力状态与直桥有很大的差别,构成曲线梁桥基本的受力特征。影响线分析表明,在相同跨径的情况下,曲线梁桥的截面内力弯、剪、扭比同跨径的直线梁桥要大。研究表明圆心角、曲率半径、弧长、桥面宽以及弯扭刚度比等,是区分曲梁、直梁受力特征的主要因素\1\。一般来说,圆心角越小,直、曲梁的差异越小,对一根单梁来说,当圆心角UO225~30时,可以忽略由扭转作用对挠度的影响。在加拿大安大略省公路桥梁设计规范中,综合考虑弧长L、桥面宽B2B,B桥梁半宽的影响,建议在L2BR10时,认为直、曲梁的差异不大,可用直线梁桥计算结果代替曲梁。表1为本桥F3联及D2联中曲线梁段的主要要素。表1曲线梁要素项目圆心角UO曲率半径RM弧长LM桥面宽BMEIKNM2GJKNM2L2BREIGJF3联F10~F8号墩间281约12058761274310753010748140D2联D10~D7号墩间81约60485501211610811210820104由表1可见,F3联圆心角较大,且F3联及D2联的综合影响系数L2BR均大于1。根据上述分析可知,本桥曲线梁的弯扭耦合特征不应忽略,采用空间梁格法或有限单元法进行计算十分必要。弯扭刚度比EIGJ对曲线梁的受力和变形状态有着直接的影响,弯扭刚度比越大,说明扭转刚度相对较小,这样由扭转造成的变形就越大,因此在选择曲梁截面时,在竖向变形满足的情况下,应尽量增大扭转刚度。本桥选择低高度扁箱梁,使得弯、扭刚度比较接近,对结构的扭转变形有较好的抑制。所谓弯扭耦合变形,在计算曲线梁桥的竖向挠度时,可以理解成弯和扭的叠加,因此曲线段的外侧挠度要比内侧大;从本文以下梁格法或有限元分析结果中,都能看到这些特征。但同时由于本桥采用的预应力扁箱梁抗扭刚度大,实际梁体的内外侧挠度差别不大。当梁底横向放置2个支座时,外支座的反力要比内支座反力大。3曲线箱梁计算方法研究曲线箱梁的常用计算方法有曲线梁法空间梁单元法、梁格法、有限单元法板壳元、三维实体元等,这些方法只有通过计算机程序实现数值分析,才能应用于工程实际。此外,还要注意各种方法的适应性。用空间梁单元模拟箱梁全截面有其局限性,首先宽箱梁不满足计算图示的假定,其次该方法不能反映各腹板的受力差异,也得不到横梁内力。因此,当箱梁较宽时,一般不采用空间梁元法。梁格法要求等效梁格与曲线箱梁间应有恰当的等代关系,由于梁格法具有概念清晰、易于理解的特点,并且其内力计算结果可以直接用于按规范检算截面,因而得到普遍欢迎。有限单元分析能较好地反映箱梁结构的整体刚度和变形协调性,计算精度较高,但计算单元往往很多,预应力处理起来复杂,一般用于复杂桥梁的设计复核。31应用梁格法的计算分析梁格分析法是用一个等效梁格来代替桥梁的上部结构。所谓等效梁格即假定把上部结构中每一区域内的抗弯和抗扭刚度集中到最邻近的梁格内,纵向刚度集中到纵向构件内,横向刚度集中到横向构件内。当桥梁上部结构和等效梁格承受相同的荷载时,它们的挠曲变形相等,且任一梁格内的弯矩、剪力和扭矩等于它们所代表的那一部分上部结构的内力。实际上由于分叉式箱形梁桥的复杂性,上述理想的等效梁格往往找不到,但大量的研究与计算表明,梁格法能够把握箱梁桥的总体性能,且具有足够的精度。对D2、F3联采用空间梁格法进行内力分析。两联共分1568个杆件含下部立柱,梁格截面85种,主线及匝道的汽车加载路线5条,行车网格由桥面梁格构架形成,避免了在交织段的车队重复布载见图11。32应用有限单元法的计算分析有限元方法是目前最通用有效的工程计算方法之一,能处理任意形状的复杂结构和各种类型的荷载形式。预应力混凝土曲线箱梁桥通常可看作由多片薄板壳组成的薄壁空间结构,因此可以采用薄板壳单元的有限元法来进行弯梁桥的结构计算。69公路2003年第8期下19952004TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED图1新庄立交分叉曲线箱梁桥计算图示有限元法的精度主要取决于单元模型形状及位移模式等和划分网格线的精细,而单元模型的选择更为关键。在分析弯梁桥这种空间结构时,为了避免采用大量单元去克服建模中的困难空间作用引起的应力或不规则的影响等,故往往愿意采用四边形单元。国内外的大量计算实例表明采用每节点6个自由度的四边形单元共24个自由度能够适应绝大多数弯桥的结构分析。由于弯梁桥腹板的曲率半径往往比单元尺寸大得多,因此采用平板单元来代替具有一定曲率的腹板,一般均能满足设计要求。但考虑到采用小变形的线弹性理论假定,则平板单元的薄膜和受弯性能是互不耦联的,而空间壳单元是互相耦合的,这样就可使计算工作大为简化,因此在对新庄立交桥的有限元分析中选用了四边形壳单元见图12。33梁格法与有限元法的分析对比本桥分别采用梁格法和薄板壳单元的有限元法进行了对比分析,结果表明,两种方法在反映曲线梁桥的受力特点上基本一致,两者的计算结果在整体上有较好的符合,由此可以说明基于梁格法计算结果进行设计是完全合理的。限于篇幅,这里仅列出D联所对应的三道腹板在自重下的变形曲线以及顶板均匀升温5℃,D联腹板1的上、下翼缘的温度应力变化值。图2表明,有限单元法所反映的弯曲箱梁内、外腹板的受力差异比梁格法大。图3表明,在箱梁顶、底板存在温差时,梁格法计算所得到的上、下缘温度应力比有限单元法要大。1腹板1挠度2腹板2挠度图2梁格法与有限元法所得D联腹板挠曲线对比792003年第8期下刘钊等连续分叉曲线箱梁桥的计算分析与设计探讨19952004TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED图3腹板1上、下翼缘的温度应力升温5℃4设计探讨41桥梁结构布局与曲梁要素评判在城市立交桥的设计过程中,桥梁的结构布局应尽可能地服从平面线形,因此各种分叉布局的曲线梁桥不可避免地经常出现。在结构设计中应充分考虑曲线梁桥的力学特性。通过对曲梁要素的评判,合理地进行结构简化,采用合适的理论进行分析。预应力混凝土低高度曲线箱梁具有很好的抗扭刚度,在桥型方案选择过程中应予以考虑。尽可能地避免采用多梁式的开口截面。42曲线梁桥支承方式的选择根据相关研究及本桥的设计分析,一般认为对于宽桥和曲率半径较大B12M,R70M的曲线梁桥,由于荷载及预应力对主梁的扭转作用小,以及宽大主梁横向稳定性的要求,宜在中墩处采用具有抗扭较强的多柱或多支座支承方式。对于窄桥和曲率半径较小B12M,R70M的曲线梁桥,如匝道桥,由于荷载及预应力对主梁的扭转作用大,一般在中支座处适宜采取单点支承,通过放松的扭转约束,达到减少箱梁扭转内力的目的。43单点支承曲线梁桥偏心距的选择通过中支点预偏心的办法,虽不能消除连续曲线梁桥外扭矩的作用,但可以改变外扭矩沿梁跨的重新分布,取得合理的设计。在设置预偏心时,如果只注重调整主梁扭矩而忽略主梁的扭转变形这一重要因素是不全面的。确定偏心距的具体方法可以为调整支座预偏心值,计算曲线梁在自重及预应力作用下的扭转角,使支点和跨中截面的扭转角接近相等一般方向相反,同时控制各截面的扭矩,保证支座不产生脱空,这样可将主梁调整到最佳平衡位置。44预应力对曲线梁桥内力的影响由于主梁的几何形状和预应力束的几何线形是多样且不规则的,所以曲线梁桥在预应力荷载下的内力也是非常复杂的。曲线梁桥的预应力束,不仅有沿梁高度的竖向弯曲,还有随梁体平弯的平面弯曲。平面弯曲产生的径向力的作用点总是沿梁高度方向在变化,当作用点位于主梁截面剪切中心以上或以下时,该径向力就会对主梁截面产生扭转作用,位于截面剪切中心以上的钢束径向力产生的扭矩方向与位于截面剪切中心以下的钢束径向力产生的扭矩方向是相反的,两者的扭矩之和构成了预应力束对曲线梁的整体扭转作用。由于预应力束首先要满足竖向抗弯要求进行设计,支座处预应力集中在上缘,其水平径向力使梁的上缘发生向内的偏转;跨中截面预应力主要分布在下缘,其水平径向力使梁的上缘发生向外的偏转。从连续梁的设计包络图可看出,正弯矩区段长度远大于负弯矩区段长度,所以相应预应力束重心位于梁底部的长度远大于位于梁顶部的长度,因而,预应力产生的总弯矩,一般总是使梁的顶面向外侧翻转。在预应力混凝土曲线梁桥设计中,预应力和自重,一般都是加剧梁的向外扭转变形,认识这一规律,对于概念设计是很有好处的。45分叉曲线箱梁的横梁设计由多个箱梁组成的分叉式异型曲线箱梁桥,通常应有刚度较大的横隔梁联结,这样的联合结构在受力方面,特别是抗弯扭方面的性能要优于单根曲梁。有关横隔梁的设计计算,从本文研究的结果来看,可以先对全桥进行整体结构分析,再对横隔梁进行分析,将各道腹板的剪力均匀地加到横梁相对应的位置。应用有限单元法进行横隔梁分析,在高跨比较小的情况下尤其必要。在进行横隔梁的结构设计时,应综合考虑横隔梁的自身刚度、截面的压应力储备和预加力大小等因素的相互影响进行优化设计。46曲线箱梁的构造设计要点箱梁构造曲梁的横隔板应强于直梁的横隔板,以减少畸变内力;当截面抗扭刚度不够时,可加大箱体宽度缩小悬臂宽度,以增加主梁的抗扭能力。钢筋构造曲线箱梁桥顶、底板的纵向受力虽是89公路2003年第8期下19952004TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED外侧大、内侧小,但考虑到构造上的方便,纵向钢筋的横向间距一般仍均匀布置,为此,需对按平面杆系程序计算所得钢筋总面积进行适当的放大,以策安全;上、下层横向钢筋以及腹板箍筋应有足够的焊接或搭接长度,以形成强劲的抗扭构造;为防止预应力束径向压力过大对梁体造成破坏,须在腹板内设置足够数量的防崩钢筋;处于较厚腹板旁的薄底板,因为承受较大的温度及收缩徐变应力,往往会造成底板横向开裂,因此宜对底板规定最小配筋率,对此尚需进一步的研究。预应力构造由于曲梁中的预应力线形一般比较复杂,为减少摩阻损失可选用塑料波纹管;要考虑施工过程中管道定位的不准确而造成的附加应力损失,设计时必须考虑有一定的安全储备;也可在跨中增加短束,补偿预应力损失。伸缩缝构造曲线梁桥的伸缩缝要求同时能够保证沿纵向和横向的位移,收缩量要比同等长度的直桥要大。47曲线箱梁的施工要点曲线梁桥由于空间放样要求高、难度大且受力复杂,施工中需倍加小心,切实保证质量。考虑自重及预应力的作用,在曲线梁桥施工中,可在内外侧设置不一样的预拱度;对分段施工的主梁,由于其在形成整体以前还不具备抗扭能力,所以应在曲线梁的分段处和支点处使用具有抗扭能力的支架;对全联整体浇注的曲梁,箱体外侧支架宜加强,在张拉预应力束前,可放松箱梁翼板下的支承,防止悬臂翼板开裂。参考文献\1\邵容光,夏淦混凝土弯梁桥M\人民交通出版社,1996\2\孙广华曲线梁桥计算M\人民交通出版社,1997\3\黄剑源,谢旭城市高架桥的设计理论与计算方法M\科学出版社,2001\4\何维利独柱支承的曲线梁桥设计C\中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第十四届年会论文集,2000ANALYSISANDDESIGNOFACONTINUOUSBIFURCATEDCURVEDBOXGIRDERBRIDGELIUZHAO1,WANGBING2,MENGSHAOPING1,JICHENG2,ZHANGYUFENG11SOUTHEASTUNIVERSITY,NANJING210096,CHINA;2NANJINGMUNICIPALENGINEERINGDESIGNANDRESEARCHINSTITUTE,NANJING210008,CHINAABSTRACTXINZHUANGFLYOVERINNANJINGCITYISAPCCURVEDBOXGIRDERBRIDGE,CHARACTERIZEDBYMULTI2STORY,MULTI2SPANANDSTRUCTURALLYCONTINUOUSATTHEBIFURCATEDPARTSAFTERREVIEWINGTHEBASICFEATURESOFTHECURVEDBOXGIRDER,THEANALYSISMETHODSFORTHECONTINUOUSBIFURCATEDCURVEDBRIDGEARESTUDIEDSOMEESSENTIALDESIGNPOINTSFORTHEPCCURVEDBOXGIRDERBRIDGEAREOUTLINEDINTHEENDKEYWORDSPRESTRESSEDCONCRETECURVEDGIRDER;ANALYSIS;DESIGN青海高等级公路实行计重收费为克服目前公路通行费征收中“大吨小标、空重一样”的弊端,今年青海省增加投资近700万元,在东起马场坦、西至倒淌河长达220KM的高等级路段上,安装了30个车道的计重收费系统,其中马场坦至湟源170KM路段已经开始计重收费,这是我国目前封闭式收费管理系统中率先实行计重收费的路段。计重收费是根据载货车辆总质量的多少来缴纳相应数额通行费的一种收费方式。它克服了过去收费中普遍存在的空重车不分、大吨位小标识、超限与标准装载难以区别等弊端,体现出重车多收、空车少收、多载多缴、公平付费的原则;并对超限超载车辆实行加倍征收,即超载系数越大,对公路的损坏越严重,超载部分收费标准越高。因此,计重收费是遏制超限超载运输车辆行驶公路、延长公路使用寿命的有效途径,同时对吸引空车上路、减少收费人员与司机因车型差别引起的争议、实现费收效益与治理超载超限运输的双赢等均具有重要意义。992003年第8期下刘钊等连续分叉曲线箱梁桥的计算分析与设计探讨19952004TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED

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