小半徑新型橋梁的設(shè)計(jì)及受力行為分析

馮琳琳

（廣東和立土木工程有限公司， 廣東 廣州 510000）

1 引言

在山區(qū)道路建設(shè)過程中， 因其地勢(shì)較為曲折陡峭， 故多采用小半徑曲線橋梁進(jìn)行連接。 當(dāng)前多以支架現(xiàn)澆箱梁作為小半徑曲線橋， 但因山區(qū)地勢(shì)條件往往過于崎嶇， 多數(shù)情況下難以滿足高墩施工所需的條件。 因此在進(jìn)行高墩施工時(shí)多以裝配式梁橋?yàn)橹鳌?對(duì)于T 型梁而言， 在進(jìn)行曲線橋各段連續(xù)梁的建設(shè)時(shí)多采用以直代曲的方式進(jìn)行， 但該種情況僅適合在大半徑曲線橋下使用，針對(duì)小半徑曲線橋往往難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。 鑒于上述問題以及現(xiàn)有山區(qū)小半徑曲線橋常見病害，本文將引入組合I 型梁的概念， 以某立交橋?yàn)檠芯繉?duì)象， 分析研究其構(gòu)造設(shè)計(jì)。

2 小半徑曲線橋存在的問題

2.1 支架現(xiàn)澆箱梁存在的問題

在小半徑曲線橋梁建設(shè)過程中， 因箱型梁具有較好的抗彎扭性能而得到廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)前多以支架現(xiàn)澆的方式進(jìn)行箱梁施工， 以支架和模板搭設(shè)的方式進(jìn)行混凝土的現(xiàn)澆［1］。 但該種施工方法僅適用于平坦的地形， 并且所得的橋面一般具有較低的標(biāo)高。 而對(duì)于山區(qū)環(huán)境下建設(shè)的這種高墩并且地勢(shì)較為陡峭的公路而言， 所需搭設(shè)的支架往往過高， 極易造成支架歪曲現(xiàn)象， 施工難度及風(fēng)險(xiǎn)往往較高。

2.2 T 梁存在的問題

當(dāng)前多以裝配式梁橋作為高墩施工首選的形式。 在小半徑曲線橋梁中， T 型梁橋存在有內(nèi)外弧度差， 梁體在曲率半徑的影響下往往表現(xiàn)出不同的內(nèi)外長(zhǎng)度。 在實(shí)際施工時(shí)， T 型梁在小半徑曲線梁橋中應(yīng)用時(shí)常以平曲線的方式進(jìn)行預(yù)制，并且為滿足線型要求往往將其懸臂段進(jìn)行加寬處理［2-3］。 在小半徑曲線橋中， 因其具有較大的轉(zhuǎn)角， 因此其往往做成簡(jiǎn)支梁的形式。 據(jù)調(diào)查， T型梁在小半徑曲線橋中往往具有106m 的最小半徑。 而隨著不斷增加的角度， 在小半徑曲線橋中往往無法應(yīng)用T 型梁。 并且多數(shù)情況下， 因較寬的翼緣板， 小半徑曲線橋在架設(shè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)重心偏離梁體垂直方向的情況， 導(dǎo)致其存在傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

3 組合I 型梁設(shè)計(jì)計(jì)算理論

基于上述問題， 本文將引入如圖1 所示的組合I 型梁橋。 作為裝配式梁橋的一種， 組合I 型梁整體上保持結(jié)構(gòu)不變， 僅在構(gòu)造設(shè)計(jì)過程中以I 型梁的形式替代T 型預(yù)制梁， 從而將其劃分為兩部分結(jié)構(gòu)［4］。 因以整體式現(xiàn)澆作為橋面板的施工方式， 故使得縱向濕接縫有所減少， 具有較好的整體性。 此外， 其頂部以波紋鋼折板的方式進(jìn)行焊接， 能夠有效的避免高墩施工過程中所面臨的模板問題， 并能提供較好的現(xiàn)澆平臺(tái)， 而在實(shí)際運(yùn)營過程中， 波紋鋼折板又能夠作為受力結(jié)構(gòu)分擔(dān)底部受力。 在組合I 型梁中， 其曲線路線主要以現(xiàn)澆橋面板的方式進(jìn)行適應(yīng)， 并能夠做成連續(xù)梁形式， 便于施工。

圖1 組合I 梁橫斷面圖

3.1 梁端鋪裝層在汽車活載作用下的受力分析

簡(jiǎn)支梁橋面連續(xù)構(gòu)件在忽略內(nèi)部鋼筋網(wǎng)片的前提下可按照如下示意圖 （見圖2） 計(jì)算其梁部受力。

圖2 簡(jiǎn)支梁橋面連續(xù)構(gòu)造計(jì)算示意圖

圖2 中各符號(hào)代表： C—相鄰支座中心間距；S1和S2—相鄰兩跨簡(jiǎn)支梁段間距和橋面計(jì)算長(zhǎng)度； h1和h2—混凝土梁高和橋面連續(xù)段厚度； L1和L2—左側(cè)梁長(zhǎng)和右側(cè)梁長(zhǎng)；

當(dāng)橋面有汽車駛?cè)霑r(shí)， 主梁會(huì)在活載作用下出現(xiàn)下?lián)馅厔?shì)， 從而出現(xiàn)變形情況。 具體表現(xiàn)如圖3 所示。

圖3 橋面連續(xù)段在汽車荷載作用下的變形示意圖

圖3 中各符號(hào)代表： φb和φc分別代表B 端和C 端轉(zhuǎn)角位移； Δb和Δc分別代表AB 段支座豎向位移和CD 段支座豎向位移。

基于 《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》， 在相鄰兩跨簡(jiǎn)支梁上進(jìn)行車輛加載時(shí)的受力形式如圖4 所示。

圖4 車輛荷載下加載示意圖

當(dāng)板梁上作用有荷載時(shí)， 板梁將產(chǎn)生相應(yīng)的最大彎矩。 根據(jù)圖乘法原理， 利用彎矩圖進(jìn)行圖承即可求取荷載作用下的轉(zhuǎn)角位移值。 在此基礎(chǔ)上考慮主梁的抗彎剛度等條件， 以線形疊加的方式考慮全部荷載作用下的情況， 即可取得AB 段的φb值。

在單獨(dú)荷載作用下， B 端處將會(huì)產(chǎn)生Piai/L21的支反力， 結(jié)合所選用支座的彈性模量及其尺寸即可求取AB 段的Δb值。 同理可求取相應(yīng)的φc和值Δc。

B 端和C 端處S2段的水平位移Δbx和Δcx以及豎向變位Δbx和Δcx可通過橋面連續(xù)層和梁端轉(zhuǎn)動(dòng)變形的相容條件進(jìn)行求取。 而根據(jù)現(xiàn)有的S2段的鋪裝層材料彈性模量Es及截面模量Is， 可通過初參數(shù)法的方式求取B 端和C 端的彎矩及剪力，具體如下：2

而其拉應(yīng)力則可通過橋面連續(xù)構(gòu)造兩側(cè)的水平位移進(jìn)行推導(dǎo)得到：

3.2 主梁撓曲變形時(shí)梁段鋪裝層縱向形變及應(yīng)力

梁體撓曲變形如圖5 所示， 考慮結(jié)構(gòu)在荷載作用下因梁體變形而出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力時(shí)， 沒有對(duì)梁體自身變形過程中， 橋面連續(xù)段在汽車荷載以及橋面鋪裝層共同作用下而導(dǎo)致的梁體變形所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力， 因此本文將在此對(duì)對(duì)其進(jìn)行分析。

圖5 梁體撓曲變形示意圖

撓度控制以 《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》 中所規(guī)定的跨中最大撓度小于L/600 的要求進(jìn)行。 以近似撓曲線函數(shù)y=A sin（πx/L） 進(jìn)行計(jì)算分析，取A=L/600， 可得到W=6.80×10-6L。

假定跨中區(qū)域鋪裝層不出現(xiàn)水平位移， 則可得支座處的橋面連續(xù)構(gòu)造水平變形為：

Wz=3.43×106（L左+L右）

假定梁端連續(xù)構(gòu)造長(zhǎng)S2， 則其應(yīng)力表達(dá)為：

綜上分析， 可知橋面連續(xù)構(gòu)造在活載， 二期恒載以及梁體轉(zhuǎn)動(dòng)變形下的最大應(yīng)力為：

4 組合I 型梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 I 型梁的設(shè)計(jì)

I 型梁依然以馬蹄形作為其底部結(jié)構(gòu)。 因多在高墩曲線段位置設(shè)置I 型梁， 此處有著較大的內(nèi)外弧度差異。 在設(shè)計(jì)時(shí)， 選用的是高度為1.8m的預(yù)制梁， 0.25m 高度的頂板橋面， 按照25-30m 的標(biāo)準(zhǔn)跨徑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 該梁體在預(yù)制時(shí)采用的是后張法， 有著70cm 的頂板寬度， 并且有預(yù)埋筋設(shè)置在頂部， 以便于后續(xù)施工的開展。I 型梁跨中處尺寸如圖6 所示。 因I 型梁的翼緣板不需要進(jìn)行加寬， 故其具有較輕的自重， 在進(jìn)行橋體的架設(shè)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)傾覆問題。 相比于傳統(tǒng)的T 型梁而言， 不僅使其跨徑能力有所加強(qiáng)， 更在一定程度上降低了橋面接縫的使用頻率， 并且使其吊裝施工更加簡(jiǎn)便， 能夠在較大程度上降低工程費(fèi)用。

圖6 I 型梁橫斷面示意圖

因高速公路有著較大的汽車活載作用， 故在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置。 在該I 型梁中所采用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線為φs15.2mm 的高強(qiáng)低松弛類型， 具有1860mpa 的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。在腹板位置處以曲線的形式布置預(yù)應(yīng)力鋼筋， 并進(jìn)行分批張拉。 在梁內(nèi)設(shè)置預(yù)埋波紋管， 波紋管內(nèi)孔道摩阻系數(shù)為0.3， 局部偏差影響系數(shù)為0.0065。 具體布置如圖7 所示。

圖7 30mI 型梁預(yù)應(yīng)力布置圖

4.2 波紋鋼折板的設(shè)計(jì)

以波紋鋼折板作為其底板， 在該波紋鋼折板中具有10cm 長(zhǎng)的波峰和波谷， 5cm 寬以及10.5cm 高度的腹板， 波紋鋼折板采用的是Q234NH 材料， 以模板壓制的方式制成。 以波紋狀作為其底板形式， 能夠在較大程度上降低結(jié)構(gòu)自重， 并使其剛度有所提高， 波折形狀的底板的面外剛度較大， 即使在極限狀態(tài)下也不會(huì)有剪切屈服出現(xiàn)［5］。 此外， 波紋狀的底板能夠有效的預(yù)防混凝土縱向位移的出現(xiàn)。 在具體施工時(shí)， 將其作為模板使用能夠起到承擔(dān)橋面板混凝土濕重的作用。

在施工時(shí)， 可通過工廠預(yù)制的方式制作標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的波紋鋼折板， 并將其以分段的方式運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工。 在波峰或波谷位置將其分成兩半， 在具體施工時(shí)再將其焊接成整體。 以分段的方式開展施工， 較有利于施工平臺(tái)的形成。 在焊接施工完成之后需開展鋼筋綁扎工作， 主要以波谷和腹板位置處焊接架立鋼筋， 并將尺寸為L(zhǎng)50X5 的角鋼在封錨端進(jìn)行焊接， 以便于確保懸臂端具有足夠的穩(wěn)定性。

在焊接完之后需開展混凝土的現(xiàn)澆工作， 基于波紋鋼折板的特點(diǎn)， 在施工平臺(tái)形成之后， 施工人員即可依據(jù)設(shè)計(jì)路線在其上開展混凝土的澆筑工作， 按照中間到兩邊梁肋的方式進(jìn)行混凝土的對(duì)稱澆筑。

圖8 白色為曲線線性示意圖

5 結(jié)語

本文主要研究了組合I 型梁的設(shè)計(jì)及受力行為， 得出以下結(jié)論：

（1） 作為梁板分離式結(jié)構(gòu)， 相比于傳統(tǒng)T 型梁， 組合I 型梁無需進(jìn)行翼緣板加寬處理， 故其能夠較好的避免架橋時(shí)帶來的傾覆影響； 以波紋鋼折板作為橋面板底板能夠較好的避免施工時(shí)模板的安裝和拆除問題， 以便于后續(xù)鋼混組合結(jié)構(gòu)的形成。

（2） 該種橋型具有不連續(xù)的梁體以及連續(xù)的橋面板， 使其在小半徑曲線橋中能夠較好的按照橋面板連續(xù)梁的形式存在。

（3） 根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)， 對(duì)其力學(xué)性能開展了研究， 主要分析了橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的受力。