一種彎橋梯形壓重的技術(shù)創(chuàng)新

包孔波，張立明

（中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州215131）

0 引言

小半徑彎橋在成橋狀態(tài)下其邊墩或橋臺(tái)處的曲線內(nèi)側(cè)支座通常會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，帶來梁體傾覆等安全隱患。所以設(shè)計(jì)者應(yīng)對彎橋進(jìn)行構(gòu)造處理，防止支座產(chǎn)生負(fù)反力。

解決負(fù)反力的方法通常有兩種[1]:一種是在主梁與墩身之間設(shè)置抗拉支座或其它連接結(jié)構(gòu)，保證在運(yùn)營狀態(tài)下邊墩或橋臺(tái)處的支座不脫空，不影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全;另一種則用增加壓重的方法來控制邊墩或橋臺(tái)處負(fù)反力，確保在運(yùn)營狀態(tài)下鋼橋邊墩或橋臺(tái)處支座不出現(xiàn)負(fù)反力，并有一定的壓重儲(chǔ)備。

目前常見的壓重方法存在壓重效率不高，施工困難等不利因素，本文提供一種用于彎橋的壓重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該方法壓重效率高,施工方便。

1 彎橋梯形壓重的理論依據(jù)

根據(jù)國內(nèi)外對曲線橋的研究，其理論依據(jù)主要是由曲梁平衡微分方程和伏拉索夫方程[2]，總結(jié)出的部分曲線橋受力特點(diǎn)如下：

彎橋一般情況下外弧側(cè)支座反力大于內(nèi)弧側(cè)支座反力，主要因?yàn)橹髁涸谧灾刈饔孟庐a(chǎn)扭矩，該扭矩必須通過兩側(cè)支座反力來平衡。

針對彎橋曲線內(nèi)弧側(cè)支座脫空現(xiàn)象，有必要研究一種有效的壓重方式，避免橋梁支座脫空。

如圖1所示的力學(xué)模型，假設(shè)壓重的合力點(diǎn)距離曲線內(nèi)弧側(cè)支座距離為x，距離曲線外弧側(cè)支座距離為b-x，則內(nèi)外支座的反力分別為：

圖1 力學(xué)圖示

由上式可知，要使得內(nèi)側(cè)支座取得最大壓重反力，則壓重合力作用點(diǎn)越接近曲線內(nèi)弧側(cè)則內(nèi)弧側(cè)支座反力越大，外弧側(cè)支座反力越小甚至出現(xiàn)負(fù)反力。

2 有限元驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證各種壓重方法的差異性，本文進(jìn)行有限元計(jì)算比選分析，計(jì)算模型見圖2，該模型為中心線長度為25 m簡支橋?qū)嵭陌?，板?0 cm，橋梁中心半徑為25 m，橋梁寬度為10 m，每側(cè)支座均勻布置，支座中心距離主梁邊緣均為2.5 m。

圖2 計(jì)算模型（單位：m）

總壓重重量固定為350.8 kN。

比選的壓重方式有：

（1）全橋均布?jí)褐兀?/p>

（2）支座附近3.1 m范圍內(nèi)均布?jí)褐兀?/p>

（3）支座附近3.1 m范圍內(nèi)半幅均布?jí)褐兀?/p>

（4）支座附近3.1 m范圍內(nèi)半幅梯形壓重。

如圖3所示，該模型在自重狀態(tài)下，曲線外弧側(cè)支座反力為1 603.1 kN，曲線內(nèi)弧側(cè)支座反力為-44.7 kN，說明該彎橋彎扭效應(yīng)明顯，必須通過壓重來調(diào)節(jié)支座反力。

圖3 自重狀態(tài)下內(nèi)支座出現(xiàn)負(fù)反力（-44.7kN）

2.1 全橋壓重

給橋梁施加橋面鋪裝的效果等同于全橋壓重，將壓重重量350.8 kN均勻分?jǐn)偟綐蛎嫔希瑒t面載荷為1.4 kN/m2，計(jì)算結(jié)果見圖4，均勻給全部橋面板施加荷載，會(huì)加劇弧線內(nèi)側(cè)支座的脫空趨勢，壓重起反作用，工程中應(yīng)避免此類壓重。

圖4 整體壓重狀態(tài)下（不計(jì)自重）內(nèi)支座出現(xiàn)負(fù)反力（-5kN）

2.2 支座附近均勻壓重

常規(guī)橋梁進(jìn)行壓重的方式為在支座附近進(jìn)行均勻壓重，一般采用箱室內(nèi)擺放壓重塊或澆筑素混凝土來實(shí)現(xiàn)。本例題選取距離梁端中心線長度為3.1 m的箱體進(jìn)行均勻壓重，總壓重的重量為350.8 kN，則距梁端3.1 m范圍內(nèi)的均布?jí)褐貫?.6 kN/m2。

圖5 梁端均勻壓重（不計(jì)自重）狀態(tài)下內(nèi)支座反力49.2kN

2.3 支座附近內(nèi)半幅均勻壓重

部分設(shè)計(jì)師意識(shí)到整體壓重和支座附近均勻壓重所起的效果較差，因此采用支座附近半幅均勻壓重，以期取得更好的壓重效果。

本例題將總壓重重量350.8 kN均勻的施加在曲線箱梁距離梁端3.1 m范圍內(nèi)的內(nèi)半幅（曲線內(nèi)側(cè)）,均布荷載為12.5 kN/m2。

如圖6所示，支座附近曲線內(nèi)半幅均勻壓重效果十分明顯，原本易脫空的內(nèi)側(cè)支座分配到的支座反力增加明顯，內(nèi)側(cè)支座反力達(dá)到148.2 kN，外側(cè)支座反力為27.1 kN，壓重有效性系數(shù)達(dá)到84.5%。

圖6 內(nèi)半幅壓重內(nèi)支座反力為148.2 kN

2.4 支座附近內(nèi)半幅梯形壓重

為了盡可能多提高壓重有效系數(shù)，本文作者團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了彎橋的梯形壓重技術(shù)，即在支座附近曲線內(nèi)半幅施加梯形壓重，見圖7，在小半徑處壓重多，在半徑大的位置壓重小。

圖7 梯形壓重布置立面

本例題將總壓重重量350.8kN按照階梯型分布規(guī)律，施加在曲線箱梁的內(nèi)半幅（曲線內(nèi)側(cè)）。

如圖8所示，按照梯形壓重進(jìn)行內(nèi)力分配后，支座附近曲線內(nèi)半幅均勻壓重效果非常明顯，原本易脫空的內(nèi)側(cè)支座分配到的反力增加明顯，內(nèi)側(cè)支座反力達(dá)到185.1 kN，外側(cè)支座反力為-9.8 kN，壓重有效性系數(shù)達(dá)到106%。

圖8 梯形壓重內(nèi)支座反力為185.1 kN

綜合上述有限元計(jì)算的結(jié)果，參見表1壓重方案對比表，可知梯形壓重效果最為理想，能最大限度的增加有效壓重，可以做到受力合理、力系明確，進(jìn)而節(jié)約壓重成本。

1.4 教師需要在課堂上充分運(yùn)用30分鐘進(jìn)行體育教學(xué)，讓學(xué)生能夠在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)到更多的足球技巧，其中包含著“熟悉球性、傳球技巧”等，然后再讓學(xué)生進(jìn)行足球比賽。

表1 壓重方案對比表

3 彎橋梯形壓重方法的技術(shù)推廣

從本文的有限元驗(yàn)證分析可知，彎橋采用梯形壓重方法可大大提高壓重效率。彎橋梯形壓重這一技術(shù)創(chuàng)新適用于各種彎橋，解決彎橋在運(yùn)營階段支座脫空問題。施工時(shí)在彎橋靠近邊墩或橋臺(tái)的曲線內(nèi)側(cè)區(qū)域?qū)嵤╇A梯型壓重，最大程度的發(fā)揮壓重效果。

對于工程中常見的彎箱梁，為解決彎箱梁支座脫空問題，可采用本文所述的梯形壓重方法。

作者團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用梯形壓重理論成功的在幾座小半徑彎鋼箱梁上進(jìn)行了技術(shù)應(yīng)用，取得了很好的效果，其主要壓重方法如下：

為防止彎橋端部出現(xiàn)負(fù)反力，在梁端一定范圍內(nèi)設(shè)置壓重，壓重材料采用鐵礦砂混凝土預(yù)制塊，容重要求達(dá)到35 kN/m3，壓重件分兩次施工，第一次在拆除臨時(shí)墩前加一半的壓重，其余部分在拆除臨時(shí)墩后擺放。為防止底板縱向肋的失穩(wěn)，在縱向肋間設(shè)置T型加勁板[3]。

壓重塊按照階梯形擺放[4]，能最大程度上減少壓重塊件的重量，使得結(jié)構(gòu)布置更趨合理。圖9為采用梯形壓重方法的鋼箱橫截面布置。其左側(cè)為曲線內(nèi)側(cè)，右側(cè)為曲線外側(cè)。

圖9中：1、支撐座；2、分隔板；3、T型加強(qiáng)板；4、縱向肋；5、配重塊。

圖9 鋼箱梁壓重塊擺放示意

其中支撐座為鋼板，擱置在縱向加勁肋和T型加勁板上，其作用是增大壓重塊與縱肋的接觸面積防止構(gòu)件失穩(wěn)。

分隔板用來將箱室分隔出若干腔體，在各個(gè)腔體內(nèi)擺放不同高度的壓重塊。

在縱向加勁肋之間焊接T型加勁板，防止縱向加勁肋壓屈失穩(wěn)。

本文所述的梯形壓重方法，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）受力直觀明確，壓重效果明顯。

（2）施工工效高，無需現(xiàn)場混凝土泵送及攪拌，僅僅擺放鋼砂混凝土塊，操作容易且綠色經(jīng)濟(jì)。

（3）若采用傳統(tǒng)的壓重方法，浪費(fèi)更多材料，而且對于改善支座受力情況有限；

（4）與現(xiàn)有平均壓重或混凝土橋面板壓重相比，施工成本更低，施工更容易，施工周期更短。

4 本技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用前景

針對彎橋特有的受力屬性，即由于彎扭效應(yīng)影響，曲線內(nèi)側(cè)支座易脫空，如何有效的增加曲線內(nèi)側(cè)支座反力儲(chǔ)備，是每個(gè)橋梁建設(shè)者迫切關(guān)心的問題。本技術(shù)創(chuàng)新從結(jié)構(gòu)受力的本源出發(fā)尋找出一種切實(shí)有效的壓重方法，將彎橋曲線內(nèi)側(cè)的支座反力大幅度增加，避免了今后支座脫空的風(fēng)險(xiǎn)。