连续梁桥墩顶顺桥向水平力的分析与研究

连续梁桥墩顶顺桥向水平力的分析与研究

随着桥梁技术的发展，在实际设计中采用了传统的绿色连续桥梁和简单的悬索桥。为了美化桥梁的形状，减小桥的横向力，桥墩通常设计为柔性码头。在桥墩的设计过程中,墩顶顺桥向水平力往往是设计的控制因素。墩顶所受的水平力一般分为:汽车制动力、温度变化和混凝土收缩徐变产生的作用力、外部作用力(如风荷载、土侧压力、船撞力)三部分。通常情况下,桥梁一联长度在100～200m之间,其中一个桥墩设置固定支座,其余桥墩设置活动支座,计算时需按桥墩和支座的组合刚度和桥跨长度进行水平力分配。假设连续梁桥的一联有n孔,这样就有(n+1)个墩台,在其中某一个桥墩(暂称为a桥墩)设置固定支座,其余桥墩设置活动支座。第i个桥墩的刚度为Ki(i=0,1,2,…,n+1),支座受到梁部的竖向荷载为Ni(i=0,1,2,…,n+1),活动支座的摩擦因数为μ,一联总的制动力为T,由于温度影响使第i个墩的位移为Δi(i=0,1,2,…,n+1)。1计算平台抗推挤刚性1.1结构模型的计算方法墩台的抗推刚度是指墩台顶在1kN的水平力作用下,墩台顶产生水平位移的倒数,单位为1/m。当桥台为重力式桥台或者U形桥台,很难产生变形或者滑动,其刚度可认为无穷大。当桥台为其他形式的桩柱式桥台时,则按照《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63—2007)(以下简称《规范》)进行计算:Δ台=x0−φ0(h2+h1)+Δ0K台=1/Δ台Δ台=x0-φ0(h2+h1)+Δ0Κ台=1/Δ台式中各符号的意义见《规范》。当桥墩的基础为天然基础或者带承台的群桩基础时,基础的刚度很大,在外力的作用下,基础的变形非常小,可视为桥墩和基础固结。这样的桥墩的抗推刚度按照结构力学的图乘法求得:Δ墩=(1/3)×P×L3/(EI)K墩=3EI/L3Δ墩=(1/3)×Ρ×L3/(EΙ)Κ墩=3EΙ/L3式中:P=1kN;E为墩柱的混凝土的弹性模量;I为墩柱的顺桥向的惯性矩;L为墩柱高度。当桥墩的形式为桩柱式时,则按照《规范》计算:Δ墩=x0−φ0(h2+h1)+Δ0K墩=1/Δ墩Δ墩=x0-φ0(h2+h1)+Δ0Κ墩=1/Δ墩式中各符号的意义见《规范》。1.2支柱的几何要求板式橡胶支座的支座刚度为:K支=nAG/tΚ支=nAG/t式中:n为一排支座个数;A为支座的平面面积;G为橡胶的剪切模量,一般取1.1MPa;T为支座的橡胶层总厚,可参阅支座产品规格或标准,一般可近似取0.71～0.78倍支座总厚。对于盆式橡胶支座,因为橡胶片固定在钢盆中,位移很小,支座刚度可视为无穷大。1.3组合可靠性由于总位移为Δi=Δ墩+Δ支=1/K墩+1/K支(见图1).所以总的组合推刚度:Ki=1/Δi=K墩×K支/(K墩+K支)2联桥墩台组合抗推刚度的计算桥梁一联总的制动力T按照《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)进行计算。计算每个桥墩的制动力按以下步骤进行:(1)假设每个桥墩支座和主梁没有滑动,按照组合刚度来进算分配制动力T,这就有Ti≤Ni×μ(i≠a)每个桥墩分得的制动力为Ti=T×(Ki/∑K)式中:∑K为联桥墩台组合抗推刚度的总和;μ为活动支座的摩擦因数。(2)根据以上公式计算出来的墩(台)制动力如果不能满足Ti≤Ni×μ的话,那就证明支座滑动,假设就不成立。即然某个桥墩的支座发生了滑动,它就不能用Ti=T×(Ki/∑K)分配制动力,这个墩(台)的制动力=支座摩阻力。用总的制动力T减去所有支座滑动墩台的支座的摩阻力∑Ni×μ得到需要重新分配的制动力T新。同时一联桥墩台组合抗推刚度的总和∑K也要减去所有支座滑动墩的抗推刚度∑K滑得到需要重新分配墩台组合抗推刚度的总和∑K新。(3)根据T新和∑K新,重复进行步骤(1)和(2),直到计算至桥墩支座和主梁没有滑动为止。3水平温度力的计算混凝土收缩、徐变及温度下降(上升)均属于同一种性质,可将两者加起来折算成温降(升)进行计算。当温度升高或者降低时,梁会伸长或者缩短,桥墩也会随之产生墩顶位移,其值大小与各墩台的水平抗推刚度Ki及各孔跨径有关。要求各墩台温度产生的水平力,可按以下步骤进行计算:(1)要找到温度变化时梁中不动点的位置,其距离端点的位置以X0表示:式中:α为线膨胀系数;Δt为升(降)温差;Li为i号墩距左端点的距离。(2)找到不动点的位置X0后,假设所有支座和梁体没有滑动,则某个墩分得水平温度力Fi=ΔLi(桥墩i到不动点的距离)×Ki(墩台抗推刚度)×α×Δt。(3)如果某个墩分得水平温度力Fi>支座摩阻力Ni×μ,则表示支座发出、发生滑动,此时的某个墩分得水平温度力Fi=支座摩阻力Ni×μ。(4)这时原计算的X0就不正确了,需按照(1)重新计算X0,值得注意的是∑Ki×Li和∑Ni×μ都是支去掉滑动过的桥墩后的值,重复(2)～(3)计算,直到计算至桥墩支座和主梁没有滑动为止。4要采用群桩基基础组合推刚度计算方法某单跨跨径为30m的连续梁桥(如图1),其中某一联为5跨150m,桥面宽26m,双向6车道。3号墩采用固定的盆式支座,其余各墩采用活动盆式支座,活动盆式支座的摩擦因数μ=0.03。中跨支点竖向力为21600kN,边跨支点竖向力为8500kN,桥墩采用双柱C30混凝土墩,每柱为1.7m×2m的矩形截面。基础为群桩基础,桩基为6根直径1.4m钻孔桩,上设8m×9.2m×2m承台。该地最大降温为25℃,混凝土收缩按降温10℃考虑。墩台高:⓪号墩3m;①号墩8m;②号墩8m;③号墩7m;④号墩7m;⑤号墩8m。见图2所示。温度变化取25+10=35℃,线膨胀系数取α=0.00001℃-1。(1)计算各墩台的组合推刚度由于采用群桩基础,基础刚度非常大,墩台推刚度K墩=3EI/L3计算,支座为盆式支座,刚度很大,所以Ki=K墩。(2)计算总的制动力。一个车道的汽车荷载为:10.5×150+(30-5)/(50-5)×180+180=760kN。按10%计制动力为76kN<165kN,所以一个车道取165kN的制动力。制动力3车道,T=165×3×0.78=386.1kN。(3)进行第一次计算制动力分配,0号墩的制动力大于支座摩阻力,支座滑动,T0=241.5kN(支座摩阻力)。(4)总组合推刚度减去0号墩的组合推刚度为新的总组合推刚度∑K新,总的制动力减去0号墩分得的制动力得T新,再进行一次制动力分配。(5)由于本桥为对称结构,不动点X0在跨中处,各墩距不动点X0的距离就可以得到了,按照刚度和距离进行分配温度力。(6)结果每个桥墩的温度力均大于其支座摩阻力,每个桥墩支座都发生滑动,全部取滑动摩阻力为温度力。(7)桥墩顺桥向水平力组合