高速公路互通立交匝道桥的复合受力状态分析

高速公路互通立交匝道桥的复合受力状态分析

随着道路硬化的发展，道路桥梁在相互连接中的应用越来越广泛。这些桥梁的桥面宽度通常约为8.15.5m，曲线半径为60.250m。其中一些是缓冲区曲线，最大跨径为20.30m。混凝土制混箱梁一般采用预制混凝土砌块梁。这些桥梁由于是弯梁桥，存在“弯扭耦合”作用，若设计与施工不当容易引起梁内侧支座脱空、梁体向外侧移动反转、固结墩墩身开裂等工程病害。本文结合匝道桥的特点，以黄花塘互通C匝道为例，提出此类桥梁的结构计算方法及设计要点，从而有效地预防上述病害的产生。1匝道桥的布置表1是笔者参与设计的几座匝道桥的设计参数。由表1看出匝道桥具有以下特点：（1）匝道桥的宽度一般在8～15.5m左右，为1个或2个车道。（2）由于匝道用来实现道路的转向功能，在立交中往往受到占地面积的限制，匝道桥多为小半径的曲线梁桥，平曲线最小半径可在60m左右，有时处于缓和曲线上，且设置较大超高值。（3）匝道桥往往设置纵坡较大。由于匝道桥的这些特点在设计中应考虑下面的因素：(1）由于曲率的关系，同时产生弯矩与扭矩，计算中要考虑弯扭耦合作用。(2）由于旋转力矩的作用，外梁内力较内梁大，因此通常会使外梁超载，内梁卸载，由于内外梁反力有时相差很大，当活载偏置时内梁可能产生负反力，尤其在曲率半径小，静荷重比较小时，更易产生。这时如果支座不能承受拉力，会出现支座脱空现象。(3）匝道桥均为曲线梁桥，横梁起到保持全桥稳定的作用，所以与直桥比需要加大横梁刚度。2结构体系及断面图分析下面以黄花塘互通C匝道桥为实例，介绍这类典型匝道桥的结构计算方法及设计要点。C匝道总体设计图见图1，桥孔布置为20m+2×25m+20m，为预应力混凝土连续箱梁结构，平面曲线半径R=170m，桥面净宽为2×净-6.75m。下部采用柱式墩，肋板式台，钻孔灌注桩基础。本桥主梁为单箱三室预应力混凝土连续箱梁。梁高1.4m。典型断面图见图2，桥面横坡主要由墩高形成。全桥除在支点处设横隔梁外。由于本桥半径较小，为增加梁体横向整体性和抗扭作用，还在各跨跨中设置一道30cm厚横隔梁，中支点横隔梁宽1.8m，边支点横隔梁宽1.2m。2.1线桥的分析方法匝道桥大多为曲线梁桥，本质上为3维空间结构。对其进行空间分析是比较精确的，但从理论上来说可以参照直线桥的分析方法，日本规范提出：当曲线梁采用具有相当抗扭强度的闭口截面时，对于曲线梁段的扭转跨径所对应的中心角小于12°时可以近似地作为曲线长为跨径的直线桥进行结构分析；中心角大于12°小于30°时，主梁纵向弯矩及剪力可按直线桥分析，反力及扭矩需按空间分析。中心角大于30°所有截面内力均按空间分析。2.1.1纵向弯矩分析本桥箱梁位于圆曲线上，圆心角仅为8.02°，仅在2#墩处设置独柱墩。故从理论上将其简化为直线梁进行分析在纵向弯矩的计算结果上不会产生较大的误差。另外，该横梁处设置2个支座，更进一步减小了扭转对箱梁内力的影响，因此没有必要采用复杂的有限元法对结构进行整体内力分析。这种以直带曲的处理，在计算中取了较大的偏载系数1.3，以近似考虑箱梁扭转引起的腹板剪应力。本例采用桥梁博士计算。2.1.2计算结果分析主要计算参数：采用满堂支架现浇施工，一次浇筑，混凝土龄期达到14d后，张拉预应力，施工阶段模拟采用直接一次落架，不再模拟支架的拆除过程，这样结果偏于安全。考虑箱梁的有效宽度。正常使用阶段，考虑梯度温度应力及支座可能沉降1mm，为了更有效地控制斜裂缝，主拉应力基本控制在规范容许值的0.5倍范围内。在墩顶处根据受力需要设置了必要的短索。(3）使用阶段计算结果分析应力验算：采用50号混凝土，应力体计算结果见表2，正常使用阶段上下缘应力值见图3和图4。变形：施工阶段张拉预应力束累计最大上升挠度为1.0cm，正常使用阶段梁体最大下挠1.0cm，均满足规范要求。除这种在一定条件下可以用的“以直代曲”的方法外，文献介绍了有限元法，有限条法，折板分析法，梁格法等几种方法。而梁格分析法是用等效梁格来代表桥梁的上部结构。是目前设计及科研中常采用的方法，其特点是容易掌握，且对设计能保证足够的精度。其实质是将传统的1维杆单元计算模式推进到2维计算模型，用1个2维的空间网格来模拟结构的受力特性，能充分考虑弯桥横向的受力特性。本桥也用梁格法计算的结果与杆系法计算的结果进行对比，在自重荷载作用下，二者的差别主要表现在支点附近，杆系法的计算值处于梁格法边肋和中肋的计算值之间，梁格法边肋与中肋应力相差20%左右；在汽车荷载作用下，边肋和中肋的应力分布不均匀性也较明显，在20%左右。所以在以往的设计中曲线半径不是太小（R>120m）的情况下，采用以直带曲的处理，取较大的偏载系数1.3，是安全的。2.2该计划的要点2.2.1梁高和垫块板高匝道桥多为小半径的曲线梁桥，平曲线最小半径可在60m左右，设置较大的超高值。超高的设置常见的有以下几种：（1）通过梁高调整；（2）梁高相同采用墩高和垫块调整；（3）采用铺装层调整，或铺装层与墩帽共同调整。本桥R=170m，桥面为单向横坡5%，采用墩高进行调整。设计中可根据不同情况灵活应用。2.2.2支护设置方面由于匝道桥在自重作用下产生扭矩，因此除主梁本身必须具有足够的抗扭刚度、抗扭矩外，其支承必须能够承受自重和活载偏载所产生的扭矩，而保证结构的稳定性。为此支座设计要考虑一些设置原则：（1）梁端支座的布置在满足承载力的前提下横向支座不宜多于2个以免支座脱空；（2）对于墩高较大的独柱式中墩的支点设置宜采用“墩-梁”固结的构造，充分利用桥墩的柔性来适应变形要求，获得较好的经济效果，本桥中墩较矮故设置固定支座，以防止过大的径向水平位移；（3）支座间距应尽量设大。采取不同的支承方式对曲线梁桥的上、下部结构受力影响很大，针对不同的桥梁结构应选用对结构受力有利的支承方式，可防止支座脱空等现象。构造上应设置强大的水平限位措施，以限制曲线梁桥可能出现的过大水平位移。2.2.3解释并确定支护偏移值调整支座的横向位置，使支座向与扭矩相反的方向偏移一定的距离，以使曲线梁达到类似直梁的平衡状态。支座偏移值是要根据实际的计算分析得到的，特别是预应力弯桥不仅要考虑自重产生的偏移还要考虑预应力和温度应力产生的预设偏移，并且还要满足活载作用下的结构安全。根据以往的经验本桥采用的偏心值=（梁高+铺装）×横坡。预偏心设置可有效防止墩顶开裂，侧向位移等病害。2.2.4跨间施工焊缝设置曲线上匝道桥横隔板的设置要比相应的直桥有所加强，如果内横隔板设置不当，横截面的畸变引起的畸变应力可能会超过受弯正应力，本桥设置了30cm厚的跨间横梁。2.2.5预应力构件防崩钢筋(1）曲线梁桥的预应力钢束径向力很大，尤其对小半径曲线梁桥作用更大。设计时必须考虑其对主梁腹板曲线内侧砼的压力，这种压力可引起腹板崩裂和钢束崩出，故需在主梁腹板内设置足够数量的防崩钢筋。(2）对预应力构件曲线平面内外管道的最小混凝土保护层厚度应符合现行规范JTGD62—2004规定的计算公式。(3）曲线梁桥的钢筋布置要求使截面具有抗扭能力，本桥箱梁底板上下层横向筋、顶板上下层横向筋及腹板箍筋相互搭接从而构成一个封闭的抗扭矩。2.2.6不当的关系一些匝道桥施工过程中出现扭转或平面移动与施工顺序安排不当有一定关系。如护栏施工先浇注外侧，导致结构重心外移等，故设计时对桥梁附属设施施工说明进行细化，重视桥面铺装的偏心施工荷载，护栏施工应两侧对称，隔跨浇注。3结构形式设计体会匝道桥的设计比一般直线桥梁要复杂得多，具体的设计过程中，准确、全面的结构受力分析是保证匝道桥设计不出现质量问题的最有效手段。结合上述匝道桥的特点得出以下3点设计体会：(1）曲线上匝道桥中的横梁起着保持全桥稳定的重要作用，因此与