斜交剛構(gòu)橋設(shè)計的幾個關(guān)鍵問題

楊鳳蓮

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

剛構(gòu)橋按墩軸線與梁體中心線交角可分為正交剛構(gòu)橋及斜交剛構(gòu)橋。斜交橋較正交橋有以下特性[1]：(1)簡支斜板的縱向主彎矩比跨徑為L、寬度為b的正交板彎矩要小,并且隨斜角的增大而遞減。(2)斜板的鈍角部位,在與鈍角等分線相垂直方向?qū)a(chǎn)生接近跨中彎矩值相當(dāng)大小的負(fù)彎矩,斜交橋跨中橫向彎矩與正交橋有很大的差異,一般較之為大,斜角變大,橫向彎矩增大,并且與抗扭剛度有關(guān),抗扭剛度越大這種隨角度變化的反應(yīng)越敏感。(3)斜交橋在荷載作用下,支座反力不均勻,銳角反力減小,鈍角反力增大。斜交剛構(gòu)橋是剛構(gòu)橋中的特例,斜交剛構(gòu)橋設(shè)計要在正交剛構(gòu)橋設(shè)計基礎(chǔ)上考慮更多因素。以某斜交剛構(gòu)橋?yàn)槔?通過對其梁部、剛臂墩、樁基礎(chǔ)設(shè)計中幾個關(guān)鍵步驟的分析,闡明斜交剛構(gòu)橋設(shè)計中的幾個需要注意的關(guān)鍵問題。

1 工程概況

某鐵路剛構(gòu)橋,梁體中心跨徑(13.5+16+13.5)m,0.8UIC荷載,雙線,墩軸線與梁體橫向交角41°,端部截面與線路中心線正交,墩頂處梁高1.7 m,跨中處梁高1.2 m,橋面寬12.2 m,截面形式如圖1～圖3所示。

圖1 跨中截面(單位：cm)

圖2 剛構(gòu)中心剖面

圖3 剛構(gòu)平面

2 梁部設(shè)計

2.1 建模方法

主梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于墩梁斜交,梁體沿橫向內(nèi)力分布不均勻,若采用空間實(shí)體單元建模,分析和計算均比較費(fèi)時,用橋博程序平面桿系結(jié)構(gòu)建模,由于邊跨跨度沿梁體橫向是變化的,可取剛臂墩邊線所在縱向截面建模,所建模型一邊跨大一邊跨小,計算出各單元截面的配筋量,再將全梁配筋沿中跨跨中對稱線按大配筋量取對稱。這樣，建模計算各單元截面所需配筋量比實(shí)際略偏大,相對于建立空間實(shí)體模型計算,是一種省時、安全、實(shí)用的計算方法。建模時還有一點(diǎn)要注意：模型不計基礎(chǔ)的溫度及收縮徐變效應(yīng),這是由于基礎(chǔ)埋在地下,受溫度變化等影響不明顯。

2.2 主筋計算[3]

從全橋縱向分析結(jié)果提取各單元內(nèi)力,據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理計算出梁部各單元截面配筋。縱向鋼筋為受力鋼筋,配筋長度應(yīng)綜合考慮受力需要與錨固長度，鈍角處頂板橫向鋼筋要加強(qiáng)。

2.3 腹筋計算[2～3]

箍筋和斜筋用來抵抗剪應(yīng)力,當(dāng)各節(jié)點(diǎn)處的剪應(yīng)力均小于無箍筋及斜筋時的主拉應(yīng)力容許值[σtp-2]時,箍筋和斜筋不需計算,采用構(gòu)造配筋；若有節(jié)點(diǎn)處的剪應(yīng)力大于主拉應(yīng)力容許值[σtp-2]時,混凝土多半要開裂,裂縫首先出現(xiàn)在主拉應(yīng)力較大處,并沿斜向延伸,在延伸所及的梁段內(nèi),主拉應(yīng)力全由箍筋和斜筋承擔(dān),不考慮混凝土的抗剪作用。計算時首先選定某根斜筋所轄范圍L,可畫出該范圍內(nèi)的剪應(yīng)力圖,用剪應(yīng)力圖面積可確定出該范圍所需的箍筋及斜筋。但在主拉應(yīng)力小于[σtp-3]部分梁段內(nèi),主拉應(yīng)力可由混凝土承受,僅按構(gòu)造要求配置腹筋即可。

3 剛臂墩設(shè)計

剛臂墩為壓彎構(gòu)件,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn),一般最大彎矩(絕對值)為控制工況,最小軸力與最大軸力工況不控制設(shè)計,剛臂墩與梁固結(jié)處彎矩最大。墩身內(nèi)力Px、My、Nz可從縱向分析結(jié)果中提取,X、Y、Z分別為沿線路方向、垂直線路方向及豎直方向,墩身內(nèi)力Py、Mx由橫向搖擺力、風(fēng)力及離心力(曲線)引起。由于墩軸線方向與所得內(nèi)力方向斜交,直接用以上內(nèi)力計算剛臂墩配筋有困難,可采用以下辦法解決：將內(nèi)力分解為垂直墩軸線及平行墩軸線方向,分別組合,再將剛臂墩按照偏心受壓構(gòu)件計算配筋。

4 樁基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 樁基模擬

樁基計算用B90程序,求出單位力作用下的樁頂位移及轉(zhuǎn)角,將群樁模擬成獨(dú)樁,將邊界條件模擬成在樁頂加一土彈簧[5],樁底固結(jié),再根據(jù)虛功原理[6],可求出所模擬獨(dú)樁的截面尺寸及土彈簧彈性系數(shù),將這些參數(shù)代入橋博程序。對斜交剛構(gòu),須用自定義布樁方式。

4.2 樁頂力計算

4.2.1樁頂力Px、My、Nz的計算

樁頂力Px、My、Nz從全橋縱向分析結(jié)果中提取。由于橋梁博士模型里承臺底加了一土彈簧,對樁頂內(nèi)力有一定影響,所以,從橋博程序里不宜提取樁頂內(nèi)力,而應(yīng)提取墩底內(nèi)力Px、My、Nz,再通過換算轉(zhuǎn)換成樁頂內(nèi)力。注意橋博程序里的內(nèi)力Px、My符號與B90程序中是反號的,在輸入B90程序時要加“-”號；如果從橋博程序里提取的是承臺頂內(nèi)力,則要注意輸入B90程序時內(nèi)力符號換算關(guān)系有變化。

4.2.2樁頂力Mx、Py的計算

樁頂力Mx、Py由橫向搖擺力、風(fēng)力、離心力及汽車橫向撞擊力組成[4]。橫向搖擺力、風(fēng)力方向可以指向一側(cè),也可以指向另一側(cè),所以要分正負(fù)與Px、My、Nz分別組合成不同工況。橫向搖擺力按100 kN的集中力作用在軌頂,平移到樁頂為100 kN的水平力及彎矩。風(fēng)力計算是按一個橋墩承擔(dān)其兩側(cè)各半跨梁上的風(fēng)力,風(fēng)力包括列車或聲屏障風(fēng)力、梁上風(fēng)力及剛臂墩風(fēng)力。離心力指向曲線外側(cè),離心力的計算是將離心力系數(shù)乘以靜活載引起的墩頂軸向力。如剛臂墩是在公路邊且沒有防護(hù)措施,則需計汽車撞擊力的作用?？v向撞擊力可直接在橋博平面桿系程序中施加,橫向撞擊力要在空間模型里加載,這是因?yàn)閯偙鄱张c梁固結(jié),一個墩受到撞擊,其他墩會分擔(dān)一部分撞擊力,只有用空間模型才能實(shí)現(xiàn)“撞擊力的分配”。如1號墩上作用1 000 kN的橫向撞擊力,撞擊力作用點(diǎn)距樁頂3.5 m,將該力平移到樁頂,會產(chǎn)生1 000 kN水平剪力及3 500 kN·m橫向彎矩,但空間模型計算結(jié)果為：1號墩樁頂只產(chǎn)生800 kN的水平剪力及2 300 kN·m的橫向彎矩。

4.2.3 樁頂“斜交彎矩”的計算

由于斜交剛構(gòu)橋荷載沿墩橫向分布不均勻,由此可以推斷,在樁頂會產(chǎn)生一繞梁中心軸線的橫向彎矩及垂直梁軸線的縱向彎矩,由于墩梁斜交引起,簡稱“斜交彎矩”。建立空間有限元模型,來計算荷載沿墩橫向的分布(圖4),只建立梁部模型,在墩梁相接處取幾個節(jié)點(diǎn)加固定約束,在邊支座中心處加橫向及豎向約束,荷載按橋面實(shí)際位置,分不同工況施加,那么,加約束處的支反力即代表沿墩橫向荷載的分布。表1示出一種活載工況下,1號墩沿墩橫向的荷載分布及“斜交彎矩”結(jié)果。表中NODE指沿墩橫向所加固定約束的節(jié)點(diǎn)號,FZ指1號墩上加約束處的支反力,X、Y為1號墩約束處至墩中心(節(jié)點(diǎn)292)的距離,MY、MX為各約束點(diǎn)的“斜交彎矩”,ΣMY、ΣMX為1號墩樁頂?shù)摹靶苯粡澗亍薄?從表1可看出：該工況下荷載沿墩橫向分布很不均勻,中跨鈍角處199號節(jié)點(diǎn)荷載分布最大,銳角處248號節(jié)點(diǎn)荷載分布最小,甚至是向上的荷載。

圖4 空間有限元模型平面

表1 1號墩沿墩橫向荷載分布及“斜交彎矩”(雙線,向左行車,重軸在中跨跨中)

各工況下1號墩的“斜交彎矩”如表2所示,表2中所列“重軸在1號墩”及“重軸在中跨跨中”均指沿梁體中心線的位置。

表2 1號墩各工況下的“斜交彎矩” kN·m

從表2可看出,在自重及二期恒載作用下,“斜交彎矩”較小,這是因?yàn)楸緞倶?gòu)是梁端正交的多跨剛構(gòu)連續(xù)梁橋,而自重及二期恒載沿全梁接近均布,所以沿墩橫向荷載分布較均勻。如果是單跨或梁端斜交剛構(gòu),則荷載分布沿墩橫向從鈍角向銳角逐漸減小?？偂靶苯粡澗亍贝笮?yīng)由自重+二期恒載+基礎(chǔ)相對變位+活載引起的“斜交彎矩”組成。從表2中可看出,工況6、9、11、12不控制設(shè)計,其余幾種活載工況與恒載工況、基礎(chǔ)相對變位工況引起的“斜交彎矩”分別與4.2.1、4.2.2中樁頂力組合作為輸入B90計算程序的荷載。事實(shí)證明,“斜交彎矩”對樁基配筋及樁長均有一定影響,墩軸線與梁體橫向交角越大,“斜交彎矩”越大,設(shè)計時不可忽視。

[1]車宇琳,馮云成,包琦瑋,等.橋梁設(shè)計常用數(shù)據(jù)手冊[M].北京：人民交通出版社,2005．

[2]TB 10002.3—2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

[3]黃 棠,王效通,等.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：中國鐵道出版社,1988．

[4]TB 10002.1—2005,鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]．

[5]TB 10002.5—2005,鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]．

[6]邵旭東,程翔云,李立峰,等.橋梁設(shè)計與計算[M].北京：人民交通出版社,2006．