小半徑大跨度預應力混凝土曲線箱梁設(shè)計
2015-01-01 00:00:00苗昀鵬
【摘 要】為了滿足社會的交通運輸需要，我國的路橋工程建設(shè)項目越來越多。并且隨著橋梁設(shè)計施工水平的提升，橋梁的結(jié)構(gòu)形式也變得多種多樣。其中小半徑大跨度曲線箱梁就是一種較為復雜的橋梁結(jié)構(gòu)，現(xiàn)本文就重點對這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題進行研究分析，指出在其設(shè)計中應注意的問題。
【關(guān)鍵詞】小半徑；大跨度；預應力混凝土；曲線箱梁；設(shè)計
某橋梁工程采用小半徑大跨度預應力混凝土曲線箱梁的結(jié)構(gòu)形式，施工方法則采用懸臂澆筑法，全線均要求實現(xiàn)無縫施工。其中曲線的最小半徑為400m。由于該工程為小半徑大跨度曲線箱梁，且要求無縫結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)形式較為復雜，給設(shè)計人員提出了較高的要求。以下本文就對其設(shè)計過程進行詳細的分析探討。
1.工程設(shè)計難點
在對本橋梁工程進行設(shè)計時，首先考慮到荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的要求。本橋梁需要承受一定的恒載和活載。其中恒載包括橋梁自重、橋面二期荷載等。而活載則主要包括了車輛荷載、人群荷載等。由于橋梁每天所承受的活載并不相同，其負荷情況較為復雜，給設(shè)計帶來一定難度。另外，大跨度橋梁自身的高度較大，尤其是在曲線所在的位置，高度更大，使得截面的中心發(fā)生了外移，再加上截面外緣尺寸已經(jīng)超出了內(nèi)緣尺寸，更是進一步促使了截面的重心偏向外部，引起了一定的扭矩。在設(shè)計中若不消除這一扭矩，則會使曲線箱梁向外側(cè)翻轉(zhuǎn)，影響橋梁的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
2.主梁截面設(shè)計
如上所述，為了消除截面上因重心外移而產(chǎn)生的扭矩，在對主梁的截面進行設(shè)計時，我們著重從截面類型的選擇、腹板厚度的確定以及梁高的設(shè)計等幾個方面入手優(yōu)化設(shè)計方案，具體如下：
2.1截面類型
曲線形式的箱梁結(jié)構(gòu)要比直線梁結(jié)構(gòu)的受力更為復雜，會受到拉壓、彎、扭以及畸變等多種作用力而出現(xiàn)變形現(xiàn)象，從而影響曲線梁的整體穩(wěn)定性。所以所選擇的截面類型應該具有較高的抗扭性能。而箱型結(jié)構(gòu)正是這樣一種截面類型，其不但整體性較好，且具有較大的抗扭剛度。為此本工程決定采用箱梁作為結(jié)構(gòu)的截面類型。
2.2腹板厚度
由于橋梁位于曲線上，預應力鋼束的徑向力會對腹板形成一種崩彈的力量，使腹板的混凝土承受很大的壓力，這對于保持腹板混凝土的整體性和穩(wěn)定性來講是極為不利的，并且這種危害程度會隨著曲線半徑的減小而增大。為了盡可能的降低小半徑曲線梁出現(xiàn)這種問題，我們決定通過增大腹板厚度來解決。
2.3梁高
本工程的橋梁結(jié)構(gòu)為變高度梁截面形式，與直線連續(xù)梁相比， 曲線梁在設(shè)計跨中截面梁的高度時應該進行適當?shù)脑龃?。這是為了滿足曲線梁的復雜受力要求。
3.普通鋼筋和預應力鋼束的布置
3.1普通鋼筋的設(shè)置
由于小半徑大跨度曲線梁會產(chǎn)生一定的彎扭耦合效應，使得曲線內(nèi)側(cè)受力更大，結(jié)構(gòu)的主應力也更大，因此在對其結(jié)構(gòu)進行配筋設(shè)計時，配筋率要更大一些才能滿足結(jié)構(gòu)的受力需求。首先，在對縱向主筋進行設(shè)計時，可以在截面平均配筋率的前提下，再增大10%。其次在對抗剪和抗扭鋼筋進行設(shè)計時，也可以同樣跨徑的直線梁配筋率為基礎(chǔ)，再增大10%。
3.2預應力鋼束的布置
預應力是一種改善結(jié)構(gòu)受力狀況的有效手段，在本工程中，同樣采用了預應力混凝土技術(shù)。在對其鋼束進行布置時，可采用和直線梁一樣的布置方式，即左右對稱的布置方式。小半徑曲線梁橋的縱向預應力鋼束沿箱梁平曲線線形變化而布置成水平曲線。預應力鋼束對混凝土產(chǎn)生較大的徑向力，除對相鄰兩預應力束之間的混凝土產(chǎn)生局部承壓作用外，還對預應力束與箱梁內(nèi)弧側(cè)之間的混凝土產(chǎn)生崩彈作用。這種徑向力對箱梁腹板的受力很不利。為此，在鋼束布置時，相鄰兩預應力鋼束之間應留有足夠的混凝土厚度，箱梁腹板應留有足夠的混凝土保護層，同時在腹板內(nèi)設(shè)置防崩鋼筋。曲線預應力束除徑向力作用外，由于曲線鋼束與孔道壁間的摩阻力，小半徑曲線預應力束的預應力損失比直線預應力束的預應力損失大得多。
4.支座設(shè)計
曲線梁存在“外梁超載，內(nèi)梁卸載”現(xiàn)象，在荷載作用下內(nèi)側(cè)端支座可能出現(xiàn)負反力。如果支座不能承受拉力，將發(fā)生“支座脫空”現(xiàn)象。由于恒載偏心和預應力產(chǎn)生的荷載疊加，外緣支座反力通常大于內(nèi)緣支座反力。會導致內(nèi)支座脫空，梁體全部荷載由外支座承擔。支座的預偏心影響支座反力在內(nèi)外支座的分配。因此，支座設(shè)計是軌道交通小半徑曲線梁橋設(shè)計的主要內(nèi)容之一。
（1）支承形式：依據(jù)城市軌道交通的荷載特點和小半徑曲線梁橋結(jié)構(gòu)特點，全部采用抗扭支承。
（2）支承偏心：采用單點鉸支承，為減小荷載作用下梁體的扭矩，應預設(shè)支座偏心。
（3）支座爬移：采用抗扭支承的雙支座，并將其中一個支座的徑向位移約束（另一個支座的徑向位移必須自由，以適應梁體的溫度變形），在墩頂設(shè)置限位擋塊，以限制梁體的徑向位移。
5.結(jié)束語
總之，在對小半徑大跨度預應力混凝土曲線箱梁進行設(shè)計時，應當充分考慮到其結(jié)構(gòu)受力的復雜性，以及對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出的諸多要求。在本工程實例中，設(shè)計人員主要從橋梁的截面設(shè)計、鋼筋布置和支座設(shè)計等三方面進行了優(yōu)化設(shè)計，希望能夠為同類工程提供一些借鑒。
【參考文獻】
[1]姚玲森.“平面曲線連續(xù)梁橋支承方式對內(nèi)力的影響”.
[2]謝萬春.“獨柱支承的連續(xù)預應力彎箱梁橋設(shè)計”.
[3]邵容光.混凝土彎梁橋，人民交通出版社，1996.5.
[4]孫廣華.曲線梁橋計算，人民交通出版社，1997.11.
[5]周勇，余澤新，張明武.小半徑曲線梁橋的設(shè)計[J].中外公路，2007（02）.
[6]李軍歌，侯中學.淺談小半徑曲線連續(xù)彎箱梁橋的設(shè)計[J].江西建材，2014（09）.
[7]方詩圣，肖兵，張吉爍，章曉暉.支座布置形式對曲線梁橋力學性能的影響[J].世界橋梁，2011（04）.
