曲線箱梁橋的設(shè)計(jì)及計(jì)算

【摘 要】本文以實(shí)際工程為例，采用梁格法對曲線箱梁進(jìn)行計(jì)算分析，就曲線箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)、橫梁設(shè)計(jì)、支座布置、下部墩柱型式以及抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了探討。旨在對曲線梁工程設(shè)計(jì)實(shí)踐起到有益的幫助。

【關(guān)鍵詞】 曲線箱梁橋;梁格法;支座設(shè)計(jì);橫梁;抗震設(shè)計(jì)

Curve box the design of the beam bridge and calculation

Meng Xian-qin

(Taiyuan city municipal services engineering design research institute Taiyuan Shanxi 030002)

【Abstract】In this paper， as an example of practical engineering，Beam method used to calculated curve analysis of box girder，The structural design of curve、Cross beam design、Bearing arrangement、The lower part of pillar type and Seismic structural design have been studied deeply. Curved beam aimed at the practice of engineering design has played a useful help.

【Key words】Curve-bridge;The gridiron method;Support design;Cross beam;Seismic design 

在城市立交工程及山區(qū)公路設(shè)計(jì)中，為服從道路線型的要求，曲線橋應(yīng)用較多。而現(xiàn)澆箱梁以良好的結(jié)構(gòu)受力性能和美觀特點(diǎn)成為曲線橋設(shè)計(jì)中常用的截面型式。本文以某實(shí)例設(shè)計(jì)城市立交匝道中半徑90米園曲線上的一聯(lián)(20米+25米+25米+20米)連續(xù)曲線箱梁橋?yàn)楸尘埃ㄟ^梁格法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，以分析曲線箱梁受力特征，探討橫梁、支座及下部結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和構(gòu)造處理以及抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)。

1. 梁格法進(jìn)行曲線箱梁空間分析

曲線橋橋型的受力特點(diǎn)與傳統(tǒng)的直線梁橋受力有很大不同，如何合理確定結(jié)構(gòu)的支撐體系、支座位置設(shè)置及偏心調(diào)整、活載內(nèi)力、偏載對結(jié)構(gòu)受力的影響都是工程師們重點(diǎn)考慮的問題。其計(jì)算方法主要有:基于變分原理的解析法、梁格系分析法、基于數(shù)值分析的有限元法。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，梁格法以易于程序化及操作相對簡便、易于理解而得到了較多的使用。其基本思路是將橋梁上部結(jié)構(gòu)離散為一個剛度近似等效的梁格體系代替，分析這種等效的梁格后再將其結(jié)果還原到原結(jié)構(gòu)中得到所需的計(jì)算結(jié)果。

梁格法作為有效、使用簡便的空間分析方法在工程實(shí)踐中得到較多應(yīng)用。梁格法將上部梁結(jié)構(gòu)用等效的梁格來模擬，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，一般按縱向、橫向雙向配筋，而且混凝土泊松比較小，用梁格法計(jì)算出的縱、橫向彎矩對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度應(yīng)該是足夠的;同時(shí)如果梁格網(wǎng)格足夠密時(shí)，計(jì)算出的翹曲效應(yīng)也能夠等效反應(yīng)實(shí)際情況[1]~[3]。梁格法的應(yīng)用也比較廣泛，如:實(shí)體板結(jié)構(gòu)、異型板結(jié)構(gòu)、空心板結(jié)構(gòu)、單多室箱梁結(jié)構(gòu)等。

本橋利用橋梁通用程序“橋梁博士”，用梁格法對一聯(lián)(20米+25米+25米+20米)連續(xù)曲線箱梁進(jìn)行了空間分析計(jì)算。該橋?qū)?米，橋墩徑向布置，采用碗型箱梁斷面。

梁格單元劃分的疏密程度，直接影響到結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算精度。理論上講，網(wǎng)格劃分的越密，越能代表真實(shí)結(jié)構(gòu)，但是帶來的問題是工程實(shí)際應(yīng)用的不便利。所以，在工程實(shí)踐中要找到一個既能反映結(jié)構(gòu)受力特性又運(yùn)用方便的梁格劃分原則。主要影響梁格法精度的因素有縱梁間距、虛擬橫梁間距等[4]~[6]。參考文獻(xiàn)資料及相關(guān)設(shè)計(jì)，經(jīng)試算并分析得出箱型截面梁梁格法單元劃分按照以下幾個原則進(jìn)行:

1.1 縱向梁格間距取2~3倍梁高，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱肋作為縱向梁格的中心線。

1.2 橫向梁格間距與縱向基本一致，橫向虛擬梁保證模擬梁格與實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性基本一致。

1.3 在受力較大部位或內(nèi)力突變處，應(yīng)加密梁格劃分;橫、縱向梁格盡量做成直角。

具體到上述工程實(shí)例，將斷面中兩道肋作為縱梁，橫向虛擬梁間距采用1~1.5米，橫梁的高度為頂、底板之和。

下面是本工程實(shí)例的平面示意圖(圖2)，編號1~8代表支座。

梁格法以簡便而相對可靠準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，適合工程技術(shù)人員使用。但是也存在一些問題，不能考慮剪力滯、扭轉(zhuǎn)、畸變產(chǎn)生的截面翹曲，須要在設(shè)計(jì)中用三維程序進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，力求計(jì)算準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)同時(shí)采用三維空間程序MADIS進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，兩種程序組合1作用下對比計(jì)算數(shù)據(jù)如表1。

從表1結(jié)果對比，我們看到梁格法和三維空間程序計(jì)算相比在荷載效應(yīng)上均有一定的差異，最大差值在20%以內(nèi)。產(chǎn)生這種差異的主要原因在于，梁格法將連續(xù)的箱型結(jié)構(gòu)拆分為梁格體系，整體剛度減小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配發(fā)生了變化;同時(shí)其橫向聯(lián)系減弱，使得梁格法的計(jì)算結(jié)果與三維實(shí)體有限元計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)出入。[8在實(shí)際工作中，應(yīng)該在梁格法計(jì)算的結(jié)果下乘以一定的安全系數(shù)，以確保結(jié)構(gòu)的安全。而且梁格法無法體現(xiàn)剪力滯等效應(yīng)，無法進(jìn)行細(xì)部應(yīng)力分析，這些都需要有空間程序來彌補(bǔ)。但是三維實(shí)體模型所需節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)較多，相應(yīng)后處理也比較繁瑣，而梁格法建立模型及前后處理簡單易行，計(jì)算相對簡便而且計(jì)算結(jié)果相對可靠的特點(diǎn)，適合于工程實(shí)踐應(yīng)用。

2. 支座設(shè)計(jì)

橋梁支座是上下部結(jié)構(gòu)的連結(jié)點(diǎn)。在橋梁結(jié)構(gòu)中，除了由恒載及活載那樣的豎直荷載所發(fā)生的豎直變形以外，還因由于水平方向的各種荷載，如風(fēng)力、離心力、地震力、溫度和混凝土收縮力等產(chǎn)生的變形，而且曲線橋由于有扭矩存在，在支座支承方向產(chǎn)生不均勻的力。當(dāng)扭矩較大時(shí)，各支座的反力值相差會很大，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生反方向的力。

而城市立交匝道橋設(shè)計(jì)中，由于受跨越道路斷面型式限制及從美觀角度考量，往往需要設(shè)計(jì)單支座獨(dú)柱墩。一聯(lián)聯(lián)端的支座(邊支座)間距對整聯(lián)梁的支座反力也影響較大，如果處理不當(dāng)，甚至?xí)怪ё摽眨斐晒こ淌鹿省?/p>

從上表可以看到，在自重作用下，中支座支反力變化不大;而邊支座的支反力隨著支座間距的變化而變化較大;而活載作用的不對稱性造成邊支座間距較小的情況下，出

現(xiàn)脫空的現(xiàn)象。而中墩單、雙支座對邊支座支反力影響很大。在工程實(shí)踐的曲線梁設(shè)計(jì)中，尤其是中墩有獨(dú)柱墩的情況下，應(yīng)該盡量拉大邊支座的間距，同時(shí)合理考慮其它因素的影響，也就是要選擇一個合理的支座間距范圍，保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性。

3. 橫梁設(shè)計(jì)

曲線橋中的橫梁，不僅起著聯(lián)系主梁和加強(qiáng)橫向剛度的結(jié)構(gòu)作用，而且是抵抗扭轉(zhuǎn)保持全橋穩(wěn)定的重要構(gòu)件，設(shè)置橫梁可以保持主梁截面形狀不變，防止壓屈變形，有利于荷載分布以及滿足制作和運(yùn)輸方面的需要。城市橋梁從美學(xué)角度出發(fā)，大量采用連續(xù)箱梁，其下配比較纖細(xì)美觀的橋墩。而蓋梁一般采用暗梁，其下設(shè)支座與橋墩連接。

在本算例設(shè)計(jì)中，橫梁采用暗梁的形式。設(shè)計(jì)中單獨(dú)將橫梁進(jìn)行有限元計(jì)算，并考慮彎扭耦合作用的影響。由于橫梁處于彎、扭、剪復(fù)合受力狀態(tài)之下，在滿足彎矩及剪力受力配筋外，還考慮配置抗扭鋼筋。以確保運(yùn)營的安全。

4. 曲線橋抗震設(shè)計(jì)

曲線橋多位于山區(qū)公路或城市立交匝道，其特點(diǎn)之一一聯(lián)內(nèi)就是墩柱高度相差較大，如本文算例中，最高橋墩高8.1米，而最低橋墩高4.9米。這樣的特點(diǎn)使得整座橋的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)集中在支座設(shè)計(jì)、支座和墩柱的聯(lián)合作用設(shè)計(jì)等方面。本算例橋墩型式伸縮端和雙支座墩采用雙柱墩，單支座墩采用獨(dú)柱墩，支座則采用板式支座。橋墩自身型式的不統(tǒng)一以及墩高的高低不一決定了各墩柱剛度的不同，在溫度力、制動力等水平力作用下，各墩抗力相差很大。在地震作用下，將導(dǎo)致剛度大的低矮橋墩直接剪壞，造成橋梁的倒塌，在汶川大地震中就發(fā)生多例彎橋橋墩破壞而致橋梁破壞的實(shí)例。為了盡量達(dá)到橋墩剛度的均勻、對稱，本工程實(shí)例中，我們選取支座時(shí)在滿足承載力和抗剪等基本要求的前提下，考慮支座與墩柱的聯(lián)合作用，計(jì)算墩柱與支座的聯(lián)合剛度，保證各墩聯(lián)合剛度基本一致來確定支座的型號。另外注重抗震措施設(shè)計(jì)，如保證梁端搭接長度，高墩設(shè)置聯(lián)系梁等。還特別注重延性構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，在墩柱潛在塑性鉸區(qū)域內(nèi)加密箍筋等。

曲線梁橋由于受力比較復(fù)雜，在實(shí)際設(shè)計(jì)中希望通過快捷而適用的方法進(jìn)行計(jì)算，既能滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受力要求，同時(shí)簡便而便于設(shè)計(jì)操作。梁格法在劃分單元合理、縱橫梁設(shè)置合理的前提下，能達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，在實(shí)踐中得到了較好的應(yīng)用。同時(shí)在曲線梁設(shè)計(jì)中橫梁的設(shè)計(jì)、支座位置及間距的調(diào)整都對整個結(jié)構(gòu)起到重要的影響，需要設(shè)計(jì)人員認(rèn)真分析。在高地震烈度區(qū)進(jìn)行曲線梁橋設(shè)計(jì)還必須注重抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)處理及墩臺選型合理。另外，曲線梁設(shè)計(jì)中還有許多問題如:彎扭問題、剪力滯影響等，需要在今后的設(shè)計(jì)工作中進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

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[文章編號]1619-2737(2010)04-18-86

[作者簡介]孟憲日侵(1969.3-)，女，1994年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，高級工程師，山西省太谷縣人，現(xiàn)太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院高級工程師。