談小半徑預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋的設(shè)計(jì)

孫海霞

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

1 曲線梁橋力學(xué)特性

曲線梁橋在豎向荷載作用下，由于曲率半徑的影響，必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而扭轉(zhuǎn)又導(dǎo)致?lián)锨冃危@樣梁體不僅受彎矩作用，同時(shí)還受扭矩作用，這稱之為彎扭藕合作用。彎扭耦合作用導(dǎo)致曲線箱梁橋具有以下幾點(diǎn)力學(xué)特性。

(1)梁內(nèi)外側(cè)受力不均

由于扭矩的作用會(huì)造成外梁超載、內(nèi)梁卸載等問(wèn)題，致使彎梁橋外邊緣彎曲應(yīng)力大于內(nèi)邊緣，外邊緣撓度大于內(nèi)邊緣，內(nèi)梁和外梁受力不均，反應(yīng)到箱梁上則是內(nèi)外腹板受力不均。當(dāng)活載偏置時(shí)，內(nèi)梁支點(diǎn)甚至可能產(chǎn)生負(fù)反力，甚至?xí)霈F(xiàn)梁體與支座脫離的問(wèn)題發(fā)生。

(2)撓曲變形

曲線箱梁橋的撓曲變形一般要比相同跨徑的直線橋大，彎橋的撓曲變形是彎曲和扭轉(zhuǎn)的迭加。

(3)橫向水平力

汽車(chē)在曲線梁橋上行駛時(shí)會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生水平方向的離心力。預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變及溫度變化等不僅對(duì)橋梁會(huì)產(chǎn)生縱向水平力，也會(huì)產(chǎn)生橫向水平力。外荷載對(duì)橋梁產(chǎn)生的橫向水平力會(huì)增大梁體截面扭矩和橋墩彎矩，并有可能造成橫向的位移或者是橋梁在平面的轉(zhuǎn)動(dòng)。

(4)翹曲與畸變

對(duì)于彎箱橋梁，由于在彎扭耦合的作用下會(huì)出現(xiàn)綜合截面應(yīng)力相對(duì)直線橋梁而言較大的問(wèn)題，特別是在截面扭轉(zhuǎn)以及畸變作用下，這一問(wèn)題更突出。但其數(shù)值往往只占基本彎曲應(yīng)力和純扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的5％～10％，經(jīng)過(guò)初步的估算，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采取增設(shè)橫隔板的設(shè)計(jì)處理方式，盡可能的控制截面畸變變形。

2 工程實(shí)例

本文基于梁格計(jì)算方法利用孫廣華曲線梁程序CBD_6.4建模計(jì)算。以楊凌立交D匝道橋一聯(lián)(3×30)m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔摌蛭挥赗=90m圓曲線上，橋面寬度12m，本文著重比較支承方式和截面形式的選取對(duì)結(jié)構(gòu)受力和設(shè)計(jì)方面的影響。

2.1 支承方式的選取

箱梁截面相同均為等高腹板，比較小半徑曲線梁橋在①全部采用抗扭支承。②兩端設(shè)置抗扭支承，中間設(shè)單支點(diǎn)鉸支承這兩種支承方式下對(duì)主梁受力和支座反力的影響。不同支承方式下結(jié)構(gòu)模型離散圖和扭矩包絡(luò)圖見(jiàn)圖1，主梁內(nèi)力見(jiàn)表1，支座反力見(jiàn)表2。

圖1 曲線梁模型離散圖和扭矩圖絡(luò)圖(單位:kN·m)

表1 不同工況下主梁內(nèi)力對(duì)照表

表2 不同工況下支座反力對(duì)照表

從圖1和表1可以看出不同的支承方式對(duì)曲線梁的彎矩和剪力沒(méi)有太大的影響，但是對(duì)扭矩影響卻很大。②在端支點(diǎn)的扭矩較①在端支點(diǎn)的扭矩大，因?yàn)棰诘纳喜拷Y(jié)構(gòu)的扭矩不能通過(guò)中間單支點(diǎn)支承傳至基礎(chǔ)，而只能由曲線橋兩端設(shè)置的抗扭支承來(lái)傳遞，在此情況下連續(xù)梁的全長(zhǎng)為受扭跨度，必然造成曲線橋兩端抗扭支承處產(chǎn)生過(guò)大的扭矩，所以必要時(shí)，須對(duì)多跨橋梁中間墩設(shè)置兩支點(diǎn)的抗扭支承。

從表2可以看出不同的支承方式①和②對(duì)支座反力的影響也較大。設(shè)支座斷面處，不同的支承方式①和②的支座總反力之和差別不大。在恒載作用下，外側(cè)的支座反力均大于內(nèi)側(cè)支座反力，這是由于外側(cè)梁重，在支座設(shè)置時(shí)沒(méi)有考慮支座偏心引起的。另外，由于①的抗扭能力比②的抗扭能力強(qiáng)，導(dǎo)致①的梁端內(nèi)外側(cè)支座反力差比②的梁端內(nèi)外側(cè)支座反力差小。因此采用單支點(diǎn)鉸支承時(shí)，如果梁端外側(cè)支座和內(nèi)側(cè)支座橫向距離不夠大時(shí)，梁端對(duì)主梁提供的扭轉(zhuǎn)能力較小，這種內(nèi)外支座反力差會(huì)更大，容易出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意橫向支座間距不宜過(guò)小。

2.2 截面形式的選取

曲線橋梁在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合曲線橋梁的實(shí)際受力特點(diǎn):在彎曲應(yīng)力與變形上，均存在著外邊腹板大于內(nèi)邊腹板的情況，為了提高外邊父般的剛度以及承載能力，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)采用橫截面不等高腹板的截面形式，加大外邊腹板高度這一方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種處理方式雖然能夠有效的解決曲線橋梁內(nèi)力與變形外腹板超過(guò)內(nèi)腹板的現(xiàn)象，同時(shí)也處理了曲線橋梁的超高問(wèn)題。但是外腹板剛度的加大必然導(dǎo)致外腹板的內(nèi)力也隨之更大，這就構(gòu)成了一對(duì)矛盾體。實(shí)際工程中往往為了構(gòu)造簡(jiǎn)單，方便施工，也可將主梁做成等高度截面，其超高橫坡由墩臺(tái)頂面形成。因此，究竟采用如何形式的斷面以及采用加大外腹板高度的箱梁截面形式是否能充分發(fā)揮材料的作用確實(shí)是一個(gè)需要思考的問(wèn)題。

從表1可以看出，相比等高腹板截面形式，采用不等高腹板截面時(shí)，外腹板的內(nèi)力增大，內(nèi)腹板的內(nèi)力則減小，這是由于整個(gè)截面的剪切中心(重心)外移，外腹板的自重加大，內(nèi)腹板的自重減小;此外，通過(guò)采用不等高腹板起到了提高外腹板剛度以及降低內(nèi)腹板剛度的作用，這樣更多的荷載通過(guò)外腹板來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然相應(yīng)腹板內(nèi)力有了較大的差距，但是整個(gè)橋梁斷面的總內(nèi)力相差卻處于相對(duì)較小的狀態(tài)。比較不等高腹板相對(duì)等高腹板截面形式，加大了橋梁的整體剛度，降低了整體結(jié)構(gòu)變形量，并且使得曲線梁橋“外翻”的趨勢(shì)大大減小，內(nèi)外腹板的變形差趨于減小。

2.3 其他構(gòu)造設(shè)計(jì)

(1)橫隔梁的設(shè)計(jì)

曲線箱梁橋的橫隔梁設(shè)置相當(dāng)重要，如果設(shè)置內(nèi)橫隔梁不恰當(dāng)，橫斷面的畸變引起的畸變應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)受彎正應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)可采用腹板剪力法計(jì)算橫梁內(nèi)力，指導(dǎo)配筋，配筋應(yīng)比直橋有所加強(qiáng)，滿足工程精度要求。腹板剪力法就是把支點(diǎn)反力看做是腹板剪力作用給橫梁造成的，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算橫梁內(nèi)力。

(2)橫向擋塊設(shè)計(jì)

為限制曲線梁橋的梁體徑向爬移，可在墩頂設(shè)置限位橫向擋塊的辦法來(lái)解決。

(3)支座設(shè)計(jì)

所有支座，橫橋向位移盡可能固定。若聯(lián)長(zhǎng)較大，梁端支座可設(shè)成順橋向自由滑動(dòng)的盆式支座，或附加了橫橋向位移固定裝置的四氟板橡膠支座;若聯(lián)長(zhǎng)較小，梁端支座可設(shè)成普通板式橡膠支座。

(4)預(yù)留封錨段長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)

當(dāng)連續(xù)幾聯(lián)現(xiàn)澆箱梁施工時(shí)，聯(lián)與聯(lián)之間預(yù)留封錨段長(zhǎng)度不宜過(guò)大，但需滿足預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉空間要求，實(shí)際工程中盡量采用張拉行程小的輕量化千斤頂，以減小張拉所需空間，預(yù)應(yīng)力鋼束采用多次張拉，并分次剪除伸長(zhǎng)量，以便在較小的預(yù)留封端長(zhǎng)度內(nèi)完成張拉工序。

(5)防崩鋼筋設(shè)計(jì)

直線橋中預(yù)應(yīng)力鋼束除錨固區(qū)域有部分平彎外，其它位置一般只是豎彎，而曲線橋鋼束始終都有平彎，在預(yù)應(yīng)力鋼束水平徑向力作用下，預(yù)應(yīng)力鋼束可能壓破混凝土保護(hù)層而崩出，曲線平面內(nèi)、外管道的最小混凝土保護(hù)層厚度除滿足規(guī)范要求外，在曲線橋設(shè)計(jì)時(shí)一般在梁中配置U形防崩鋼筋，箍筋仍以抗剪抗扭來(lái)設(shè)計(jì)，防崩鋼筋采用直徑12以上的帶肋螺旋筋焊接在箍筋上，通常40～60cm布置一道。

3 結(jié)束語(yǔ)

小半徑曲線梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算比較復(fù)雜，采用梁格法可進(jìn)行整體受力分析，滿足設(shè)計(jì)精度要求。選擇合適的支承方式對(duì)扭矩影響較大，在可設(shè)抗扭支承的情況下盡量采用抗扭支承，如受限中支點(diǎn)需設(shè)置單點(diǎn)鉸支承，中支座應(yīng)設(shè)置預(yù)偏心。橫斷面形式的選取應(yīng)根據(jù)半徑大小合理選擇，半徑較小時(shí)，應(yīng)根據(jù)內(nèi)外腹板跨徑差異選擇相應(yīng)的梁高，在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)詳細(xì)分析曲梁在自重、預(yù)應(yīng)力和汽車(chē)活載等荷載作用下的受力狀況，充分考慮其結(jié)構(gòu)的縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)和翹曲作用等空間受力特點(diǎn)。

[1] 孫廣華.曲線梁橋計(jì)算[M].北京:人民交通出版社，1997.

[2] 郭慧乾.曲線箱梁橋力學(xué)分析與設(shè)計(jì)研究[D].大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[3] 高速公路叢書(shū)委員會(huì).高速公路立交工程[M].北京:人民交通出版社，2001.