小半径曲线钢

小半径曲线钢-混凝土叠合连续箱梁桥设计探讨熊洪波【摘要】该文介绍了昆明二环大树营立交曲线钢-混叠合梁的设计体会，并以三跨40m+62m+40m钢-混凝土叠合箱梁桥的设计为例，简要介绍了小半径大跨度连续钢-混凝土叠合箱梁桥的设计思路及分析计算方法.【期刊名称】《城市道桥与防洪》【年(卷)，期】2010(000)008【总页数】4页(P72-75)【关键词】叠合梁;曲线梁;反力不均匀系数;负弯矩【作者】熊洪波【作者单位】广州市市政工程设计研究院广东广州,510060【正文语种】中文【中图分类】U448.21+50引言近年来随着城市高架桥、立交桥建设的需要，曲线梁在我国己被广泛采用。为了节约用地、减少征地拆迁，曲线梁的半径往往较小。另外，由于需要跨越既有高架、铁路等，往往跨径较大。这时跨径较小的普通钢筋混凝土连续曲梁难以满足这种需要，因此选用有较大跨越能力的预应力混凝土梁和钢结构。在施工工期、施工交通组织允许的情况下，一般选用较为经济的预应力混凝土连续曲梁。但在施工工期、施工交通组织要求较严、不能中断地面交通的情况下，采用满堂支架浇筑的预应力混凝土连续曲梁难以满足，而通常采用钢结构。钢箱梁具有较大的抗扭刚度，无疑非常适合此类曲线梁段，但由于正交异性钢桥面板具有噪音大及桥面铺装不稳定等诸多缺点，通常在上述路段优选钢-混凝土叠合箱梁桥。1工程概况昆明市主城二环快速系统改扩建工程东、北二环段大树营立交中，D匝道跨越人民路高架及主线高架时，在DS4-7~DS4-10轴采用了40m+62m+40m连续钢-混凝土叠合箱梁。该梁段曲线半径R=80m,桥宽8m,布置两个车道，单向横坡2%~3%。整个梁段线形组成为：26.39m（缓和曲线段）+101.13m（圆曲线段）+14.48m（缓和曲线段）。桥梁横断面见图1,结构采用单箱双室，梁高按等高布置，箱梁腹板净高1.85m，混凝土后浇层15cm（含顶板厚度），边腹板采用斜率为3:1的斜腹板，并在悬臂板根部用R=1000的薄钢板包封，使得钢梁外观与混凝土梁一致。钢箱梁沿结构中心线每隔2m设置一道横隔板及倒T形的斜撑支撑翼板，以保证箱梁的整体稳定。箱梁顶板采用闭合截面的U形加劲肋，板厚6mm,底板设有纵向I肋，肋厚16mm。考虑腹板局部屈曲安全的问题，在腹板上设置一道纵向加劲肋，厚16mm。箱梁边腹板厚16mm，中腹板厚14mm，翼板顶板厚12mm,其余部分顶底板厚度随截面内力变化而变化，横梁处顶底板厚度最大，为25mm，跨中厚度最小，为16mm。桥面板采用CF50钢纤维混凝土后浇层，厚度15cm（包括钢箱梁顶板厚度）。钢纤维混凝土后浇层与钢梁顶板之间采用剪力钉连接。整个结构横坡由绕里程线旋转钢梁与混凝土后浇层调坡共同形成。该桥的主要特点主要表现在以下几个方面：（1）曲线半径小，支座反力分配不均匀，容易出现支座脱空现象；（2） 跨度大，中墩墩顶负弯矩大，混凝土桥面板易开裂；（3） 采用等高梁且高跨比较小，需通过施工工序来调整结构应力。2连续曲线钢-混凝土叠合梁总体布置2.1跨径布置及支座偏心设置由于钢结构具有自身重量轻的特点，且混凝土现浇层厚度不大，活载在总荷载中所占比重较大，连续梁边墩支座在恒载作用下的预压力一般不大，要预防全部被活载弓I起的上拔力克服的危险。因此在总体布置时边跨和中跨的比例不宜过小，宜适当放大。连续曲线梁支承一般设计为边墩为支座，中间几个支座为单点支承，这样在活载作用下不仅边跨而且中跨都会对边墩支座产生扭转作用，使得两支座受力不均。为了扭转荷载的连续传递，减小曲梁两端的扭矩，本工程中所有曲线梁所有墩均采用双支座设计。两支座受力不均时，一般采用增大支座间距的方法来实现，因此对于双支座应尽量放大它们之间的间距。但在小半径连续曲线梁的情况下，仅靠增大支座间距的方法是不够的，这时就要靠调整支座偏心来避免出现负反力并使得反力分配均匀。表1为DS4-7~DS4-10轴两边墩支座在各总体布置情况下的恒载反力及其不均匀系数比较表。在〃支座间距2.9m夕卜偏0.1m”的总体布置情况下，DS4-7轴最小活载反力为分别为-221.5kN（内侧支座）、-215.8kN（外侧支座）;DS4-10轴最小活载反力为分别为-269.2kN（内侧支座）、-222.6kN（外侧支座）。显然，在最不利荷载作用下各支座均不会出现负反力，但为使同一墩上两支座受力均匀以减小梁体扭矩，有必要调整支座横向偏心距离。由表1可知，在〃支座间距2.9m外偏0.1m”的总体布置情况下DS4-7轴反力的不均匀系数为2.4%，说明支座偏心值设置合适，而DS4-10轴偏心值宜进一步调整。表1边墩支座总体布置情况下的恒载反力不均匀系数比较表总体布置情况DS4-7轴反力(kN)DS4-10轴反力(kN)内侧支座外侧支座不均匀系数内侧支座外侧支座不均匀系数支座间距2.4m，不偏心518.8770.919.5%407.7880.136.7%支座间距2.9m，不偏心585704.79.3%492.8794.923.5%支座间距2.4m，夕卜偏0.1m572.6717.211.2%461.3826.428.4%支座间距2.9m，夕卜偏0.1m629.5660.22.4%537.2750.516.6%2.2梁高变化对设计参数的影响合理选用梁高是进行梁体设计的重要因素。在确定梁高时应综合考虑建筑容许高度、刚度条件和经济性等因素。在其它条件不变的情况下，梁高越小，总用钢量就越少，经济性也就越好。但是梁高太小会导致桥梁刚度不足应力太大等问题，因此合理地选用钢梁高度就显得尤为重要。表2为梁高变化时，各设计参数的变动情况。表2梁高变化对设计参数的影响(注：表2中梁高h表示的是腹板净高。)设计参数截面面积A/m20.43540.43710.43890.4407增加比例——0.4%0.8%1.2%抗弯惯性矩I/m40.25770.27280.28840.3044增加比例——5.9%11.9%18.1%抗扭惯性矩J/m40.47660.49720.51800.5388增加比例——4.3%8.7%13.1%活载挠跨比f/L1/17771/18551/19531/2016减低比例——4.2%9.0%11.9%梁高h/m1.71.751.81.85从表2可以看出，适当增加梁高，钢材用量增加不多，但表征截面应力的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有大幅提高和活载挠跨比大幅下降。因此在类似跨径的城市高架钢-混叠合梁(钢箱梁)设计中，如果梁高的设计条件容许，应适当放大梁高，以取得节省钢材的经济效果。3负弯矩区混凝土桥面板的设计思路及措施大跨度连续钢-混叠合梁设计要考虑的关键问题是叠合梁负弯矩区的处理方法。这是因为：多跨连续叠合梁在后期恒载及活载作用下，负弯矩区的混凝土桥面板常因拉应力过大而开裂，从而导致梁体刚度降低，混凝土板内钢筋甚至其下钢板锈蚀，以至降低结构的耐久性。根据负弯矩区混凝土桥面板的性能要求，可按以下三种方法进行设计：不容许发生拉应力、不容许裂缝产生、限制裂缝宽度。对于这一问题，早期多采用配置预应力的方法解决，要求混凝土在使用荷载作用下不出现或仅出现有限拉应力。但随着研究的深入，取消负弯矩区桥面板的纵向预应力，增加普通钢筋来减小裂缝宽度，即用裂缝宽度限制替代拉应力限值的设计方法已经越来越得到认同和应用。这种设计方法简化了构造、方便了施工，并以经济上更大的竞争优势促进了组合结构桥梁的发展。本桥桥面板在纵向按容许开裂、控制裂缝宽度的原则进行设计，不设置体内纵向预应力束。为了改善负弯矩区桥面板的受力性能，实现对负弯矩区桥面板裂缝宽度的有效控制，本桥采用了如下技术措施：优化纵向普通钢筋的布置。从提高纵向钢筋配筋率、握裹面积比，选择合适的钢筋直径及间距，依据桥面板纵向应力的分布来合理布置钢筋三个方面，实现对负弯矩区桥面板裂缝宽度及其分布的控制。需要说明的是，在钢梁腹板两侧桥面板一定范围内，剪力滞效应弓I起的桥面板拉应力较其他部位要高，因此设计时对该范围内纵向钢筋进行了加强布置。合理地选择施工顺序。桥面板施工采用先跨中、后支点的浇筑顺序，这样跨中桥面板的恒载作用对支点处混凝土桥面板会产生一个预压作用，有效地减小了支点桥面板的恒载拉应力，改善了负弯矩区桥面板的受力性能。通过添加钢纤维、微膨胀剂等改善负弯矩区混凝土的性能。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。微膨胀剂能有效减少混凝土在浇筑硬化后收缩产生的裂纹，进一步提高混凝土桥面板的抗裂性和密实度。4结构计算结构计算采用大型空间有限元程序进行分析，采用三维梁单元模拟曲线箱梁结构，并以施工阶段联合截面的形式考虑桥面板混凝土的作用。图1、图2分别为钢梁与混凝土现浇层在恒载作用下的应力图。需要说明的是图中恒载应力项包括收缩徐变产生的效应。图3、图4为成桥运营阶段钢梁与混凝土现浇层上下缘的应力包络图。5结论大跨度小半径曲线梁桥在今后的城市立交中将会大量出现，而钢-混叠合梁亦将是很有发展前景的桥型之一。半径小时曲梁的力学效应显著，设计时应注意到支座反力的特点和规律，在支座设置和构造上应采取相应措施。对负弯矩混凝土桥面板开裂问题采取容许截面开裂、控制