无桥台斜腿刚架桥在宽带桥梁中的应用

无桥台斜腿刚架桥在宽带桥梁中的应用

无桥斜桥（图1）是近年来中国发展起来的一座桥梁。在传统的倾斜桥（图1）的基础上，取消桥台，增加斜杆，使斜杆和斜杆相互补偿，形成稳定的三角形结构。顶部结构没有得到倾斜，底部结构也没有得到阻止，梁端负荷传递到桥墩。倾斜角的倾角角和路堤的倾角相同。从外形上看,与斜腿刚架桥相比,该桥型似乎是省去了桥台用边斜杆代替,但实际的结构特性却发生明显的变化,它比斜腿刚架桥具有更大的优越性。一方面节省了建筑材料,降低了造价;另一方面改善了结构的受力性能,整体刚度大,跨越能力强［１］。该桥型因具有结构合理、受力性能好、跨越能力大、视野开阔、造型美观、造价低廉等优点而得到广泛地运用［２，３］。近年来,国内学者们在单孔、多孔无桥台斜腿刚架桥的构造设计、力学特性及工程应用等方面研究得较多,取得了一系列有价值的研究成果［４－８］,但对宽幅无桥台斜腿刚架桥的研究却未见报道,鉴于此,本文结合一座宽幅钢筋混凝土无桥台斜腿刚架桥工程实例,对该类桥型的关键部位进行两个方面的分析研究:(1)梁腿刚结部位应力状态的分布规律;(2)分析了不同工况作用下主梁控制截面(主梁最大正弯矩和最大负弯矩截面)的剪力滞效应的分布规律。1桥面布置设计如图2、图3所示为一座钢筋混凝土无桥台斜腿刚架桥,桥梁全长66m,宽40m。全桥由两幅20m宽箱梁合并而成,两幅箱梁之间设置60cm宽的湿接缝,单幅主梁采用单箱四室箱形截面,边斜杆与主梁结合处设置通长端横梁,梁腿刚结部位在两幅分别设置中横梁,桥梁采用满堂支架现浇施工。主孔斜腿倾角45°,支点处梁高130cm,跨中梁高为90cm;副孔斜腿倾角45°,支点处梁高130cm,斜腿边跨中梁高均为60cm,主、副孔梁高呈圆曲线变化;桥面布置0.2m(栏杆)+2.8m~4.8m(人行道)+4m(非机动车道)+13m~10m(机动车道)+13m~8m(机动车道)+4m(非机动车道)+2.8m~7.8m(人行道)+0.2m(栏杆);设计荷载为城-A级,人群荷载为3.5kN/m２。2主梁结构分析结果为了更好地模拟桥梁结构的实际受力状况,提高关键部位的计算精度,在单元模型中将全桥划分成四面体实体单元的组合体。桥梁结构计算采用有限元软件Midas/FEA,全桥共划分177905个单元,其有限元模型如图4所示。分析中采用3种荷载工况。工况1:自重+二期恒载;工况2:活载(汽车荷载和人群荷载)使图2中A-A截面(荷载作用下最大正弯矩截面)产生最大正弯矩;工况3:活载(汽车荷载和人群荷载)使图2中B-B截面(荷载作用下最大负弯矩截面)产生最大负弯矩。计算分析时对桥梁结构做如下假定:(1)主梁采用C50混凝土,弹性模量E=3.45×10７kN/m２;斜腿、边斜杆采用C40混凝土,弹性模量E=3.25×10７kN/m２;承台采用C30混凝土,弹性模量E=3.00×10７kN/m２;混凝土泊松比取ν=0.2;(2)承台与基础固结,为便于研究,不考虑桩基沉降、土体与边斜杆相互作用对结构内力的影响;(3)结构应力以拉为正,压为负;(4)结构分析时采用全桥建模仿真计算,横向对称加载,限于篇幅限制,应力分析只给出左幅桥的计算结果。3结论分析3.1结构的应力分析无桥台斜腿刚架桥梁腿刚结部位如图2所示,上部结构为单箱多室结构,应力分布状况复杂,在恒载、活载的作用下会出现应力峰值。为了更加清晰地分析梁腿结合部的应力分布规律,截取左幅桥该部位的顶底板、腹板及斜腿顶部、中横梁部分进行结点应力分析。3.1.1顺桥向拉应力sy沿横桥向振荡明显梁腿刚结部位顶底板顺桥向应力分布如图5~图8所示。从图5、图6可以看出,在工况1、3的作用下,顶板存在很大的顺桥向拉应力Syy,这是由于斜腿顶部存在很大的负弯矩所引起的。工况1作用下最大拉应力达到2.32MPa,工况3作用下最大拉应力达到0.72MPa,两种工况作用下,顺桥向拉应力Syy沿横桥向振荡明显,说明箱梁顶板此处有着明显的剪力滞效应;离开顶板和横隔梁相交处,拉应力迅速下降,并且靠近中跨侧有出现负剪力滞效应的趋势。由于恒载是桥梁结构的主要荷载,因此在负弯矩作用下顶板的拉应力峰值应给予足够的重视,在配置钢筋时应配置足够的钢筋来抵抗顶板的拉应力峰值,并且适当地增加顶板的厚度。3.1.2腹部倾斜部位的应力分析3.1.3梁、主梁应力中横梁的作用是增加箱梁的横向刚度,限制畸变应力,在支撑处的中横梁还承担着抵抗和分布反力的作用。限于篇幅,本文仅分析在工况1作用下梁腿刚结部的应力分布规律。从图11~图14可以看出,由于中横梁和主梁是共同作用参与结构受力的,因此在荷载作用下中横梁和主梁一样出现“上拉下压”的应力。中横梁(不考虑翼缘板、顶底板和和腹板)在荷载作用下应力总体不大,分布比较均匀,没有明显的应力突变。顶底板距腹板远处的应力处于低谷状态而顶底板近肋处的应力达到峰值,表现出明显的正剪力滞效应,与初等梁理论的预测值完全不同。虽然梁腿结合部位设置横梁,但是由于该桥腹板间距较大,结构内力的空间效应和剪力滞效应依然明显,从而顶板、底板应力依然出现分布不均匀的现象。未设置中横梁斜腿顶主梁截面顺桥向应力和第一主应力表现明显地不均匀性,顶底板靠近中腹板处剪力滞效应尤为明显,造成这种现象的原因主要是由于中腹板的宽度不够。比较设置中横梁前后斜腿顶部的应力云图,设置中横梁能显著改善梁腿刚结部位的应力集中以及箱梁的剪力滞效应,因此设计中在梁腿结合部位设置中横梁来增加结构的刚度和减小应力集中是非常有必要的。3.2不同截面剪力滞结果宽翼缘箱梁中,由于剪切变形沿箱梁翼缘板宽度的分布不均匀,引起弯曲时远离腹板的翼板纵向位移滞后于近腹板的翼板纵向位移,产生弯曲正应力的横向分布呈曲线形状。这种剪力流在箱梁横向传递过程有滞后现象,称之为“剪力滞效应”。靠近腹板翼板中的正应力大于靠近腹板翼板中点处的正应力,称之为“正剪力滞”,反之则称之为“负剪力滞”［９－１１］。本桥主梁(半幅)为变截面单箱多室箱梁,其剪力滞效应带来的截面应力变化不容忽视。为了更加清楚地分析无桥台斜腿刚架桥关键截面的应力分布规律,因此本文选取了两个具有代表性的截面(主梁最大正弯矩截面、最大负弯矩截面)进行应力分析,即图中A-A和B-B截面。为了方便地描述箱梁剪滞效应的影响程度,工程上引入剪力滞系数λ,它是衡量剪力滞效应的主要指标,即:λ=考虑剪切变形求得法向应力/按初等梁理论求得法向应力。不同工况作用下,左幅桥A-A、B-B截面剪力滞效应计算结果如图15~图22所示。从图15~图22可以看出A-A、B-B截面在恒载和活载作用下纵桥向应力在各截面横向分布不均匀,均表现出明显的正剪力滞现象。A-A截面顶板在工况1作用下,各箱室间应力曲线变化平坦,没有出现明显的应力峰值,翼缘板处剪力滞现象比较明显;底板在工况1作用下腹板间的应力值与初等梁理论计算值相差不大,最大拉应力峰值向梁边偏移,在边腹板处出现最大拉应力峰值2.55MPa。在工况2作用下,顶底板集中荷载作用区域出现明显的正剪力滞现象,顶板最大剪力滞系数为1.24,底板最大剪力滞系数达到1.17。B-B截面在工况1作用下,腹板处的顶底板应力均大于各箱室中部的应力,出现明显的剪力滞效应,纵向应力沿截面中心线对称分布,顶板最大剪力滞系数达到1.29,底板最大剪力滞系数达到1.11。与A-A截面相比,底板最大应力并没有向边腹板偏移,初步分析其原因是:梁腿结合部由于设置横梁,增加了截面刚度,使荷载很快地传递到整个截面使整个截面共同受力。在工况3作用下,顶底板集中荷载作用位置表现很明显的剪力滞现象,顶板最大剪力滞系数为1.25,底板最大剪力滞系数为1.17。比较工况1、3作用下梁腿结合部位的剪力滞系数,可以看出B-B截面在活载作用下,剪力滞效应更加明显。根据工况1、3荷载作用下的计算应力值,采用“翼缘有效宽度法”计算方法计算B-B截面顶板的有效分布宽度bｅｌ。根据公式［１２］:式中:c为腹板至截面中线的净宽;t为上翼缘厚度;x为沿着跨长方向的坐标;y为沿横截面宽度方向的坐标;σ(x,y)翼缘板正应力分布函数。求得在工况1、3作用下B-B截面的有效分布宽度bｅｌ分别为16.03m、17.10m。根据文献的规定,对于超静定结构进行作用效用分析时,箱形截面梁的翼缘宽度可取实际宽度,因此B-B截面顶板宽度可取20m,工况1、3作用下翼缘板有效分布宽度计算值分别是规范规定值的80.2%、85.5%,因此在进行结构计算时,建议梁腿刚结部顶板有效宽度的取值为规范值的80%左右。4主梁结构分析(1)宽幅无桥台斜腿刚架桥梁腿结合部所受的负弯矩在结构运营时将长期存在,顶板拉应力以及由剪力滞效应引起的拉应力变化在结构设计时不容忽视。在进行结构计算时,建议梁腿刚结部顶板有效宽度的取值为规范值的80%左右,因为梁腿刚结部位剪力滞效应对腹板和翼缘板共同工作不利。(2)在斜腿与主梁隅合结点的配筋设计时,应注意隅合区域的高应力应满足最不利荷载的强度要求。(3)在梁腿结合部位设置中横梁能显著增大结构的横向刚度,达到了减少箱梁顶、底板应力峰值,降低应力不均匀性的效果,有利于桥梁结构整体受力。在宽幅无桥台斜腿刚架桥此类桥梁设计中,对于单箱多室主梁结构应尽可能考虑设置大横梁,这样可以增大箱形结构的横向抗弯刚度,改善结构受力。(4)主梁的控制截面剪力滞效应明显,结构设计时应给予足够的重视。从图7、图8可以看出,底板同样由于剪力滞效应的影响,底板在顺桥压应力Syy也发生剧烈的变化,梁腿相交处顺桥压应力Syy横向变化尤为明显,梁腿结点处等值线密集,说明结点应力集中明显,因此进行结构设计时应给予特别注意,防止梁腿结合部位发生局部压碎破坏。无桥台斜腿刚架桥集拱桥和梁桥的优势于一体,由于在梁腿结合部位产生较大的负弯矩,从而减小中孔的正弯矩,因此在同等跨径下,其主梁的最大正弯矩峰值比连续梁或连续刚构桥的主梁峰值要小得多。从图9、图10可以看出,在工况1、3荷载作用下,从腹板上缘到下缘顺桥向应力Sｙｙ由拉应力变为压应力,斜腿顶部的腹板两侧应力基本对称。靠近顶板出现拉应力区,最大拉应力为0.63MPa;在斜腿与主梁形成的隅结点的两侧出现两个高压应力集中的区域(最大压应力达到3.33MPa