小半徑、大跨度曲線剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁設(shè)計研究

臧立秋

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司,沈陽 110013)

1 工程概況

長春市快速軌道交通輕軌三期工程東大橋站—東新路站區(qū)間在K4+330及K4+415處與既有惠工路互通式立交橋交叉,交叉位置線路平曲線半徑R=300 m,交叉角度分別為22°及37°,長春地處寒冷地區(qū),冬夏溫差大,地震烈度為Ⅶ度,輕軌采用(60+92+60) m剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁橋跨越。

2 梁式方案比選

設(shè)計初期提出了鋼-混組合梁、連續(xù)箱梁、連續(xù)剛構(gòu)、剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁4種梁式方案。鋼-混組合梁具有梁高小、結(jié)構(gòu)輕、抗扭性能好的特點,但是由于該橋主跨徑92 m且位于半徑R=300 m平曲線上,加之溫度效應(yīng)對鋼-混組合結(jié)構(gòu)影響大,計算后曲線內(nèi)外側(cè)應(yīng)力相差很大,結(jié)構(gòu)受力不合理,且后期鋼結(jié)構(gòu)的維護難度大、費用高；連續(xù)箱梁梁高相對鋼-混組合梁及連續(xù)剛構(gòu)稍高,造成結(jié)構(gòu)自重大,不利于結(jié)構(gòu)抗扭,支座抗扭支撐需特殊設(shè)計,大噸位支座數(shù)量多,后期更換難度大；大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋雖在我國已有很多成功范例,但本橋位于小半徑曲線上,橋墩較矮,橋梁處于嚴(yán)寒地帶,溫度效應(yīng)作用下,梁的受力類似于平面拱,經(jīng)計算,結(jié)構(gòu)受力不理想。基于以上問題,提出了剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁的結(jié)構(gòu)形式,此種結(jié)構(gòu)形式兼顧了連續(xù)剛構(gòu)和連續(xù)梁的優(yōu)點,提高了結(jié)構(gòu)抗扭承載力,增強了橋梁的抗震性能,溫度作用下梁長方向可自由伸縮,降低了過大的溫度附加應(yīng)力,減少了大噸位支座的數(shù)量。本橋剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁具有以下特點：

(1)曲線半徑小、跨度大,梁的彎-扭耦合效應(yīng)明顯,受力具有空間性；

(2)曲線預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失比直線橋大,一次張拉鋼束過長,預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重；

(3)相對于等截面梁,變截面梁趨向于使中墩外側(cè)支座反力減小,內(nèi)側(cè)支座反力增大,“外梁超載,內(nèi)梁卸載”[1]的效應(yīng)會有所減輕,如果跨度較大、曲線半徑較小會出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座反力大于外側(cè)支座反力的現(xiàn)象；

(4)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時產(chǎn)生的徑向力崩力相對于截面剪切中心的扭矩值不容忽視,對混凝土有崩裂的危險。

3 荷載及荷載組合

3.1 荷載

3.1.1 主力荷載

(1)恒載

恒載包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變及沉降。

(2)活荷載

①設(shè)計活載：輕軌荷載如圖1所示,重車軸重120 kN,空車軸重80 kN。

圖1 輕軌荷載圖示(單位：m)

②豎向動力作用,該列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數(shù)(1+μ)并考慮0.8折減系數(shù)[2],其值為：邊跨為1+0.8μ=1.094；中跨為1+0.8μ=1.078 4。

③離心力：其值為列車靜活載乘以離心力率C[2-3],作用位置為軌頂以上車輛重心處,該力會對彎梁產(chǎn)生附加扭矩。

式中，v為行車速度；R為曲線半徑。

④無縫線路作用力：本聯(lián)梁范圍軌道為短軌區(qū),無縫線路軌道作用力不計。

3.1.2 附加荷載

(1)體系溫差：成橋溫度10 ℃,體系溫差按整體升溫+13 ℃,整體降溫-27 ℃考慮設(shè)計；

(2)溫度梯度：鋪裝之前階段考慮5.5 ℃升溫,2.75 ℃降溫；

(3)混凝土收縮、徐變；

(4)沉降：邊墩取值-1.0 cm,主墩取值-1.0 cm。

3.1.3 特殊荷載

(1)列車脫軌荷載；

(2)地震作用。

3.2 荷載組合 (表1)

表1 荷載組合

4 橋梁結(jié)構(gòu)模型及計算分析

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)

(60+92+60) m剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁,梁體為單箱單室結(jié)構(gòu),橋面寬度9.3 m,底板寬度5.1 m。一側(cè)中墩為剛構(gòu)結(jié)構(gòu),一側(cè)中墩為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。剛構(gòu)支點處梁高5 m,連續(xù)梁支點處梁高5.5 m,邊跨支點處及跨中梁高均為2.5 m,頂板厚0.35 m,底板由0.35 m漸變至支點處的1 m,腹板寬度由0.6 m漸變至0.8 m,剛構(gòu)側(cè)設(shè)雙薄壁墩,墩高6.5 m,寬5.1 m,厚為1.4 m,薄壁墩凈距1.2 m,雙薄壁墩與梁體固結(jié),連續(xù)梁側(cè)中支點及邊支點設(shè)雙活動支座。

4.2 模型建立

本梁體支架現(xiàn)澆施工,計算采用Midas/Civil有限元程序建立橋梁三維空間模型,整體坐標(biāo)軸定義為：順橋向為X軸,橫橋向為Y軸,豎直高度方向為Z軸。主梁、墩柱采用梁單元模擬,樁基及承臺采用等效截面單元模擬,邊界條件采用彈簧模擬,墩梁固結(jié)處、墩承臺固結(jié)處均采用剛性連接,支架采用等剛度彈簧模擬,連續(xù)側(cè)墩頂支座采用局部坐標(biāo)軸模擬,支座按切線布置。為降低一次張拉超長鋼束的應(yīng)力損失,分2個施工階段,中跨及1/4邊跨段為第一施工階段,剩余兩邊跨為第二施工階段,長鋼束在分段處采用鋼束連接器連接,一次張拉鋼束長度最長為122 m,梁體分階段施工模型見圖2、圖3。

圖2 (60+92+60) m第一施工階段計算分析模型

圖3 (60+92+60) m成橋階段計算分析模型

4.3 計算分析

4.3.1 計算分析內(nèi)容

主梁采用C55混凝土,按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。總體分析計算主要包括施工階段應(yīng)力驗算,成橋并持荷3年后的主梁應(yīng)力、強度、剛度及下部結(jié)構(gòu)驗算,橫梁驗算。此外還要考慮風(fēng)載、地震作用下的墩柱驗算，以及支座、伸縮縫、橋面板等構(gòu)件驗算。

4.3.2 主要分析結(jié)果

(1)施工階段梁體頂緣最大壓應(yīng)力為10.5 MPa,梁體底緣最大壓應(yīng)力為12.9 MPa,無拉應(yīng)力產(chǎn)生,結(jié)果滿足規(guī)范要求。

(2)運營階段主力+附加力作用下梁體最大主壓應(yīng)力為13.6 MPa,滿足規(guī)范要求,靜活載作用下跨中最大撓度為3.9 cm,梁體豎向剛度為L/2 359，滿足規(guī)范要求。

(3)經(jīng)Midas PSC設(shè)計,運營階段設(shè)計混凝土壓應(yīng)力,混凝土剪應(yīng)力,抗裂荷載下混凝土斜截面的主應(yīng)力,正截面抗裂驗算,承載能力極限狀態(tài)強度驗算,預(yù)應(yīng)力鋼束的最大拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5 施工設(shè)計研究

本橋為小半徑、大跨度預(yù)應(yīng)力曲線梁,在自重及外荷載作用下會同時產(chǎn)生彎矩和扭矩,并相互影響。預(yù)應(yīng)力鋼束的空間布置及列車的離心力作用也會對扭轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生扭矩,巨大的扭矩使得梁體曲線內(nèi)外側(cè)應(yīng)力及變形存在一定的差異,雙支座的反力也不同于一般的直線橋,橋梁時刻處于“彎—剪—扭”耦合作用狀態(tài),本橋針對曲線梁的復(fù)雜受力狀態(tài),設(shè)計采取如下措施。

(1)梁高及腹板厚度的設(shè)計本著合理調(diào)整梁體的彎扭剛度比[4-6]為原則。彎扭剛度比k=EI/GId,對于彎橋,抗彎剛度EI在滿足抗彎的前提下應(yīng)盡量增大其截面的抗扭剛度GId。剛構(gòu)-連續(xù)組合箱梁降低了梁高,減小了梁的縱向抗彎剛度,適當(dāng)增加了箱梁腹板及頂?shù)装搴穸?提高了梁的抗扭剛度。

(2)本橋采取分段現(xiàn)澆的方法,使鋼束張拉長度縮短以減小預(yù)應(yīng)力損失,分段處鋼束采用鋼束連接器連接,曲線長鋼束摩阻損失計算時曲線包角θ[7]采用空間包角值[8]β=(θH2+θV2)0.5,本橋較相應(yīng)直線橋預(yù)應(yīng)力損失增加約8%。

(3)對梁體普通鋼筋進行計算,加強了縱向鋼筋及箍筋的配置,并按公路鋼筋混凝土規(guī)范對箱梁截面及縱向鋼筋、箍筋進行了復(fù)算,滿足要求。

(4)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對支座的布置方式提出了很高的要求,本橋采用一墩剛構(gòu)其余連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系,解決了抗扭支撐的問題,并對剛構(gòu)位置橫梁加強了鋼筋設(shè)置,以防扭矩過大導(dǎo)致橫梁開裂,連續(xù)墩頂采用球形支座,能充分適應(yīng)曲梁的縱、橫向自由轉(zhuǎn)動和移動的可能性。

(5)增加梁跨橫隔梁的設(shè)置,除支點位置設(shè)置橫梁外,中跨增設(shè)3道橫隔梁,邊跨各增設(shè)1道橫隔梁,提高了梁體整體抗扭剛度及穩(wěn)定性。

(6)調(diào)整頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力鋼束的布置,增加頂板鋼束及減少底板鋼束可平衡部分扭矩。

(7)張拉腹板鋼束的次序應(yīng)遵循以下原則,豎向位置上先中間后上下,橫向位置上先外側(cè)后內(nèi)側(cè)。

(8)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束防崩鋼筋,在后張預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中,由于平面曲率半徑的影響,具有水平曲率的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束在張拉過程中產(chǎn)生對腹板混凝土的徑向壓力會有使腹板崩裂的危險,合理設(shè)置一定數(shù)量橫隔板的同時,需沿預(yù)應(yīng)力束設(shè)置防崩鋼筋[9-10],孔道中單位長度預(yù)應(yīng)力筋束的最大水平徑向壓力簡化計算為：q=p/R,式中,q為徑向力,p為端部控制張拉力。經(jīng)計算,沿預(yù)應(yīng)力管道設(shè)置φ12 mm@30 cm的防崩鋼筋滿足受力要求,設(shè)置方式如圖4所示。

(9)抗扭鋼筋的設(shè)置需做特殊處理,梁底板上下層橫向筋、頂板上下層橫向筋及腹板箍筋要相互搭接，從而構(gòu)成1個封閉的抗扭矩形,提高抗扭承載力。

6 結(jié)語

分析結(jié)果表明,在輕軌荷載作用下,小半徑、大跨度曲線梁采用剛構(gòu)-連續(xù)組合體系箱梁合理可行。建議同類曲線橋的設(shè)計,結(jié)構(gòu)計算應(yīng)進行空間受力分析,采用抗扭剛度大的箱形截面并合理選取截面尺寸,合理布置預(yù)應(yīng)力鋼束,加強橫隔梁的設(shè)置,提高縱向普通鋼筋及箍筋配筋率,按計算設(shè)置腹板及底板防崩鋼筋,特殊設(shè)置抗扭箍筋,確保橋梁整體受力均衡,應(yīng)力儲備充足。

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