平面曲线梁桥温度变形与支承体系布置探讨

1、2005年第4期铁道建筑RailwayEngineering7文章编号:100321995(2005)0420007203平面曲线梁桥温度变形与支承体系布置探讨谭万忠,张佐汉,柯在田23(11铁道科学研究院研修学院,北京100081;21铁道部科学研究院深圳研究设计院,广东深圳518034;31铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081)摘要:,支承体系布置的原则,并结合实桥的监测结果,以供曲线梁桥设计人员借鉴。关键词:曲线梁桥+中图分类号0引言在城市立交桥与公路立交桥尤其是在立交的匝道桥设计中,不可避免地要采用曲线梁桥。近几年来,许多地区的独柱混凝土弯梁桥时有事故发生。例如天津市某立交桥

2、为4×21m的四跨钢筋混凝土箱梁,宽1915m,质量为2400t,位于R=200m的平曲线上,纵用大12。竖向温度梯度对于曲线梁桥的温度应力影响很。但从深圳地区实际监测的情况来看,横向温差最高已达1112,而德国规范也规定考虑横向线性温差5。因此笔者认为,对于横向温差的情况,应根据桥梁所处的方位和环境情况适当予以考虑。另外,车辆荷载由于偏心和离心力等作用,会增强曲线梁桥的扭转变形和向外侧滑移的趋势。112支承体系布置原则向坡度318%,全桥共有5个桥墩,桥墩采用Y形墩,每墩设4个支座,该桥运营11年后发生径向34cm的横向爬移,沿纵坡下滑12cm,造成大部分支座损坏、墩柱开裂等问题。

3、这些问题的出现有施工原因,但大多为设计原因造成的。梁体发生失稳,尽管大多没有伴随梁体本身的破坏,但是修复支承、复位梁体或拆除全桥重建所花的代价是巨大的。准确计算曲线梁桥的平面变形是正确设置支承体系的前提。在对曲线梁桥的破坏机理尚不十分清楚的情况下,适当增强曲线梁桥抗扭转能力和采取径向限位措施,是保证曲线梁桥安全运营的一种有效方法。曲线梁桥正确的支承体系布置一般应遵循以下原3,4则:切向对称中心点处桥墩设固定支座(相应桥墩处受力较大)或设切向固定、径向允许位移的单向固定支座(相应桥墩处受力较小)。其他墩设多向活动支座,并在部分墩或所有墩采取径向限位措施。在两个对称墩上设抗扭支座。城市曲线梁桥墩位

4、布置一般受到相邻建筑的限制,桥跨很难做到对称布置,且一般位于较大的纵坡上,梁体在浇筑和预应力张拉时也不是对称进行的,因此在切向对称中点附近设固定支座尤为重要。1弯梁桥平面变形的特点和支承体系布置的原则111平面变形的特点曲线梁桥的变形是一个非常复杂的问题,自重、预应力荷载、车辆荷载、温度荷载等都会不同程度地影响曲线梁桥的变形。但处于运营阶段的曲线梁桥,影响其平面变形的主要因素是温度荷载和车辆荷载。温度荷载中的温度均匀变化导致桥梁沿纵向均匀地位移,这种位移不产生结构内力,只有当结构的位移受到约束时才会产生温度次内力。沿桥梁横向也存在温度梯度,新的公路规范考虑公路桥梁都带有较长的悬臂,两侧腹板受太

5、阳直接辐射较少,梁底终日不受日照,所以只考虑梁顶全天日照,不再计及横桥向温度梯度的作2实例分析某桥为6跨预应力混凝土连续梁,桥梁中线曲线半径为255m,全长2391751m,跨径组成为(221813+35+55+391938+55+32)m,箱梁底面宽510m,箱室高212m,桥面宽为910m。原设计支座为联间墩5和11采用板式橡胶支座,中间8墩采用单向活动盆式#8#铁道建筑April,2005橡胶支座,6和10分别设有45cm和40cm的偏心,其余各墩均采用双向活动盆式支座。通车一年半后,在无任何先兆的情况下,突然发生严重的梁体侧向滑移、平面外挠曲并伴随严重的扭转变形,最大滑移达4815cm

6、,扭角达213°。后经修复,并于2001年7月至2002年7月对该桥进行了为期一年的安全运营监测,重点针对该桥的梁体位移和梁体温度进行了测试。梁体温度测点和修复后的支承体系布置见图1、图2。图1图2修复后的支承体系布置图监测的系统温度以2001年4月13日的22为初始温度。监测的主要结果见表1和图3图5。表1各个测点间温差最大值位置外侧顶板与底板内侧顶板与底板底板外侧、内侧外侧、内侧腹板点号、温差1315101411121112时间1520130020001700日期2002206229200220422720012072212001207221图3桥面温度随时间变化曲线图注:图中“

7、2”表示向大墩号(12#台)方向偏移#图45、11墩切向位移曲线图2005年第4期平面曲线梁桥温度变形与支承体系布置探讨9注:图中“2”表示沿径向向圆心方向偏移#图55、11监测情况表明,该桥在修复后的支承体系下,的最大径向位移为1cm,cm,顶底板温差10,10,20考虑。利用MIDAS,其径向位移最大值为0144cm,小于实际测量的最大值,主要是模拟时径向限位是不可以动的。另外从图5可以看出,其变化值主要是在0015cm之间,与实际监测情况基本一致。因此,无论从计算和监测结果来看,梁体未出现过大的扭转变形和侧向位移,说明支承体系的修复是成功的。假设按照原支承体系来计算,考虑该桥整体升温16

8、,顶、底板温差10,横向温差10,计算表明#5墩最大径向位移可达7139cm,其中横向温差引起的径向位移为6196cm,占总体径向位移的94%,11墩最大径向位移可达9132cm,其中横向温差引起的径向位移为8177cm,占总体径向位移的94%,表明原支承体系会发生较大的径向位移。综合观测情况和理论计算分析表明,由于温差的循环作用,梁体发生向外侧的弯曲变形,也就是说各桥墩处的梁体发生向外侧移动的径向位移,伴随径向位移的发生梁体有了向外侧转动的残余积累,当梁体转角超过盆式橡胶支座的摩阻角时梁体自重将产生接近水平方向的滑动力,这时梁体径向位移和转角发展速度加快,直至发展到端支点内侧支座脱空,这时就

9、可能发生梁体整体滑动失稳破坏。假设取横向温差为10,是按监测时的最大温差来考虑的,并不是横向温差经常保持在10左右,但是当横向温差为10、径向限位又比较薄弱时,必然会引起曲线梁桥过大的径向位移。在设计中,对横向温差到底考虑多少,应当根据桥梁所处的方位和环境来确定,在无确切资料的情况下,建议采取德国规范按横向线性温差5来计算。从上述情况可以看出,曲线梁桥内外侧腹板温差#,在曲线梁桥平面变形的因素中。另外,内外侧腹板温差的正负取值也至关重要,因为由此引起的位移结果可能相反。因此,曲线梁桥的设计人员应当对桥梁所处的方位和环境温度仔细考察分析,然后根据具体情况作出正确分析,取适当的温度荷载,以保证准确

10、计算曲线梁桥的温度变形和正确设置支承体系。在考虑设置径向限位措施时,不能所有的径向位移均被固定,否则会产生较大的水平力,有时甚至能达到好几百吨的力,可能会引起支座被剪坏、梁底或墩台帽混凝土被拉裂、墩身墩顶混5凝土开裂等病害。3结语监测结果与计算分析表明,在曲线梁桥的设计过程中,根据桥梁实际所处的方位和环境,适当考虑横向温差非常必要。另外,在对曲线梁桥的破坏机理尚不十分清楚的情况下,适当增强曲线梁桥抗扭转能力和采取径向限位措施,是目前保证曲线梁桥安全运营的一种有效方法。因此,在设计曲线梁桥时,对以上问题应当引起足够的重视,防止意外事故的发生。参考文献1JTGD602004,公路桥涵设计通用规范S.2刘兴法.混凝土结构的温度应力分析M.北京:人民交通出版社,1991.3Moorty,Shashi(NASALangleyResCts);Roeder,CharlesW.Temperature2dependentbridge