不同支承形式的曲线梁桥受力分析

不同支承形式的曲线梁桥受力分析

1曲线梁桥的承接形式随着社会经济的发展，高速公路和城市高速公路的建设日益增多，交叉口项目在道路和市政道路建设中越来越受到重视。曲线桥是实现每个方向交通连接的必要手段，曲线桥是实现交叉口工程中每个方向交通连接的必要手段。就总体布置而言,曲线梁桥可分为主线桥和立交匝道桥,主线桥因主线技术标准高,交通量大,常采用大半径,且单向桥宽至少2车道及以上。而受地形、地物和占地面积的影响,匝道桥往往为1车道或2车道以及交通需求量相对较小的窄桥,且技术标准相对较低,平面半径小。这种形式的曲线梁桥受力状态较为复杂,所以在设计过程中,必须对其结构受力特点有充分的了解,综合考虑各种因素对结构的不利影响。下部结构的支承形式对桥梁的受力、结构的稳定和工程的造价都有很大的影响,在国内曲线梁桥发生的事故中,因支承体系的设计不合理造成主梁翻转而使支座脱空的占很大比例,给国家造成巨大经济损失。合理的选择曲线梁桥的支承形式对整个桥梁结构的设计来说至关重要。较宽的曲线梁桥,平面半径和支点反力一般比较大,支点多采用抗扭支承(多支座),桥梁体系的稳定性相对要好些。下面仅对轻窄(桥宽B<10m)和曲线半径较小(一般R<150m)的曲线梁桥中间支承形式的受力情况进行分析,并通过计算示例进行比较,得出不同的支承方式在曲线梁桥设计中的适用条件。2横向水平力曲线梁桥除具有直线梁桥的受力特点外,还有在外荷载作用下产生弯扭耦合作用、内梁和外梁受力不均、在活载或温度变化等引起梁体变形的荷载作用下产生横向水平力的受力特点。(1)相关系数的曲线梁桥受力曲线梁桥在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩,并且互相影响,使梁截面处于弯扭耦合作用的状态,其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多。曲线梁桥由于受到强大的扭矩作用,产生扭转变形,其曲线外侧的竖向挠度大于同跨径的直桥;由于弯扭耦合作用,在梁端可能出现翘曲;当梁端横桥向约束较弱时,梁体有向弯道外侧“爬移”的趋势。(2)内梁支点脱空，受力下降曲线梁桥由于存在较大的扭矩,因而通常会使外梁超载、内梁卸载。由于内、外梁的支点反力有时相差很大,当活载偏置时,内梁支点甚至可能产生负反力,这时如果支座不能承受拉力,就会出现梁体与支座的脱离,即“支座脱空”现象。对箱梁而言,则是内外腹板受力不均。(3)凝土收缩徐变以及温度变化引起的横向水平力汽车在曲线梁桥上行驶时会对桥梁产生水平方向的离心力。预应力、混凝土收缩徐变及温度变化等引起的梁体变形,这些作用不仅对桥梁产生纵向水平力,也会对桥梁产生横向水平力。外荷载对桥梁产生的横向水平力会增大梁体截面扭矩和桥墩弯矩,并使梁体产生横向位移和平面转动。3中支点技术根据曲线梁桥的受力特点,曲线梁桥的支承设计与直线梁桥不一样,支承不仅要承担竖向力,还要调整主梁扭矩,传递外荷载产生的横向水平力,限制梁体横向位移和平面转动,保证结构的整体稳定性。曲线梁桥的支承形式主要有点铰支承、抗扭支承和固接支承3种,曲线连续梁桥一般是将点铰支承和抗扭支承间隔布置,以减短受扭跨度,抗扭支承一般沿曲线的径向布置。为消除梁端翘曲,曲线梁桥端支点常采用2个或以上的板式橡胶支座,组成抗扭支承,并加横向限位措施。板式橡胶支座具有一定的转动和剪切变形能力,能够提供一定的抗扭能力,对梁的扭转约束较弱,恰好适应曲线梁桥在预应力、温度变化等外荷载作用下,梁端变形较大,反力较小的特点,而横向限位措施则保证了结构横向位移不超出容许范围。曲线梁桥中支点则常采用承载力较大的横向固定盆式橡胶支座或墩梁固接,由墩柱和梁体的变形来承担中支点横向位移,既满足中支点竖向反力大的特点,也限制了桥梁横向位移和平面转动。中支点支承形式的选用则要根据曲线梁桥的桥跨布置、桥墩高度、桥位地形等条件来综合考虑确定。4调整端支点自适应调整曲线梁桥桥墩较矮(一般H<8m)时,桥墩虽然承受来自主梁的双向水平力,但不会控制下部结构的设计。此时桥梁中支点的支承形式应以降低主梁截面扭矩,提高结构稳定性为目的来选择。由于对相同截面桥墩而言,桥墩较矮,墩身刚度较大,为减少桥墩对梁体的约束,宜采用点铰支承或抗扭支承,使桥墩只承受梁体竖向力和水平力,梁体在横向和纵向也可以有一定的转动。桥梁联长较小时,一般在两端设置抗扭支承,在中间设置点铰支承,桥墩可做成独柱桥墩,整体上布置美观,占地较小,这在城市立交下部结构布置受到限制时最方便。点铰支承还可以根据梁体受力计算需要,设置支座偏心,调整端支点内外支座反力和梁体截面扭矩,防止端支座脱空,增大结构整体稳定性。在点铰支承曲线梁桥内,上部结构偏心荷载产生的扭矩不能通过中间点铰支承传至基础,而只能通过两端墩台的抗扭支承来传递。在此情况下,中支点的作用只是起到减小弯曲长度的作用,上部结构的全长成为弯桥的受扭跨度。这对于联长较大的曲线梁桥,会使上部结构内部产生过大的扭矩,控制了桥梁截面抗扭尺寸和剪扭钢筋的设计。为减小此项扭矩的影响,比较有效的方法是通过在中间支点设置抗扭支承来缩短曲线梁桥的受扭跨度。桥墩布置受到限制时,也可以采用加盖梁的圆端形或矩形截面桥墩,设置双支座抗扭支承。下面以(27+30+27)m预应力曲线连续梁为计算示例,见图1,曲梁中心平面半径R=119.25m,顶板宽8m,底板宽5m,梁高1.7m,采用C50混凝土浇筑。两端各采用2个板式橡胶支座,支座间距3.6m。中支点分别按点铰支承、点铰支承设偏心和抗扭支承(双支座)3种情况,采用空间程序计算,端支点支座反力及截面内力较大的中支点截面扭矩计算结果分别见表1和表2。从表1和表2的计算结果可以看出:(1)点铰支承在未设置偏心时,在恒载(前4项荷载)作用下,端支点内外支座反力相差较大,本例内支座为882kN,外支座为1224kN,相差39%。这是由于在恒载作用下梁体产生向外翻的扭矩,使外支座反力增大,内支座反力减小。曲线梁桥平面半径越小,这种差别就越大。(2)端支点内外支座反力可以通过中支点点铰支承设置横向偏心来调整,使两者在恒载作用下基本相等,这种支承形式和偏心设置对边跨较小或半径较小的曲线梁桥设计尤为重要。本例采用0.2m外偏心后,恒载反力内支座为1072kN,外支座为1055kN,相差不到2%。(3)设置抗扭支承后,减小了主梁抗扭跨度,截面自重扭矩相对点铰支承小;但抗扭支承又限制了梁体的扭转,故在预应力作用时扭矩增大。5固接承接墩内弯矩的影响曲线梁桥桥墩较高(一般H>8m)时,桥墩在主梁双向水平力作用下,墩底弯矩增大,配筋增多,墩柱截面尺寸会控制下部结构的设计。此时桥梁中支点的支承形式应在考虑主梁的同时,兼顾下部结构的受力来选择。由于桥墩较高,墩身刚度较小,宜采用墩梁固接支承。固接支承桥墩对主梁有一定的约束,墩顶既可以承担部分主梁的扭矩,也可以改善墩身弯矩的分布,使墩顶和墩底同时承受弯矩,减小了墩身弯矩峰值。墩梁固接还可以利用墩身横向刚度,限制主梁的横向位移,保证结构的稳定性。有研究表明,具有刚性抗扭约束的支座上设置偏心不能改善梁内的扭矩,但是如果桥墩虽然与梁固接,只要墩较高较柔,预设偏心仍有改善桥梁内力和墩身受力的效果。因此墩梁固接仍可根据需要设置支承偏心,来调整端支点内外支座反力和梁体截面扭矩。仍采用上面算例,考虑桥墩高度来比较点铰支承和固接支承对桥墩内力的影响,桥墩为ϕ1.5m圆柱墩,采用C40混凝土浇筑,桥墩高度、支承形式和对结构设计控制的墩底弯矩计算结果见表3。从表3计算结果可以看出:(1)桥墩高度较矮时,墩柱刚度大,固接支承墩柱对主梁的约束大,梁体变形引起的墩底纵向和横向弯矩均较采用点铰支承大得多。(2)桥墩较高时,墩柱刚度变小,固接支承墩柱对主梁的约束减弱,墩柱受力有所改善。且墩顶也承受一定的弯矩,减小了外力对墩底的弯矩。(3)墩柱高度相同时,梁体变形引起的墩底弯矩点铰支承比固接支承小,但两者承受的活载离心力相差不大,后者墩底弯矩较小。桥墩越高,两者梁体变形对墩底产生的弯矩差异会减小,水平外力(活载制动力和离心力)对墩底产生的弯矩差异会加大,固接支承优势会增大。6桥墩支架布置(1)由于曲线梁桥会承受较大的横向水平力,建议中间支点多设几个横向固定支承或横向限位措施,共同承担横向水平力,防止梁体因横向位移或平面转动而与支座发生过大错位。(2)桥墩不高,曲线梁桥联长较小时,中间桥墩宜采用点铰支承,并根据需要设置支座偏心,调整梁端内外支座反力和截面扭矩,既可以保证结构安全,又能做到设计简洁。特别对曲线梁桥中间桥墩布置受到占地限制和边跨及半径较小时更适用。(3)桥墩不高,曲线梁桥联长较大时,中间支点宜采用点