水平底板索連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)研究

胡衛(wèi)東

甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司 甘肅 蘭州 730030

連續(xù)剛構(gòu)橋指主梁與墩身固結(jié)的連續(xù)梁橋，連續(xù)剛構(gòu)結(jié)合了T形剛構(gòu)在懸臂施工中保持體系平衡、有效利用橋墩的結(jié)構(gòu)潛能的優(yōu)點(diǎn)，又吸取了連續(xù)梁橋在整體受力上能承受正、負(fù)彎矩的優(yōu)點(diǎn)，所以在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的連續(xù)剛構(gòu)橋梁底板多為二次或多次凸形拋物線(xiàn)，為追求結(jié)構(gòu)形式的輕盈效果，中跨跨中截面高度往往很小，在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的跨中下?lián)弦约翱缰械装灞懒哑茐?。并且過(guò)大的下?lián)蠒?huì)使車(chē)輛在通過(guò)橋梁時(shí)發(fā)生跳車(chē)現(xiàn)象，增加車(chē)輛荷載對(duì)橋梁的沖擊作用，危害結(jié)構(gòu)安全。

近年來(lái)，大量已建成大跨度連續(xù)剛構(gòu)出現(xiàn)持續(xù)下?lián)系那闆r，于1955年建成通車(chē)的黃石大橋（162.5m+3×245m+162.5m連續(xù)剛構(gòu)）通車(chē)7年后測(cè)得跨中最大下?lián)?0.5cm；1997年建成通車(chē)的虎門(mén)大橋航道大橋（150m+270m+160m連續(xù)剛構(gòu)）通車(chē)6年后測(cè)得跨中最大下?lián)?2.2cm；。每座連續(xù)剛構(gòu)橋梁都是投資巨大，后期的加固處置不僅費(fèi)用不菲且無(wú)法從根本上解決問(wèn)題，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全以及行車(chē)舒適度造成很大的影響。

傳統(tǒng)的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋普遍存在主梁下?lián)线^(guò)大的問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)，將此問(wèn)題歸因于混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、施工方法等因素。通過(guò)多次研究表明，以上幾個(gè)因素對(duì)長(zhǎng)度撓度的影響十分有限，基于此，從構(gòu)造入手，探究構(gòu)造因素對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響。

為此，吳國(guó)松等人提出了一種底板索水平布置預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁橋，將箱梁內(nèi)跨中底板相應(yīng)梁高的位置縱向設(shè)置水平錨固板，在跨中L/2截面至3L/8截面區(qū)段，水平錨固板和箱梁 底板融為一體。具體布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 跨中底板索布置方式

對(duì)常見(jiàn)的幾種大跨度梁橋立面形式進(jìn)行對(duì)比可知，傳統(tǒng)形式連續(xù)剛構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)連續(xù)剛構(gòu)）的梁體跨中高度最小，T形剛構(gòu)和連續(xù)鋼桁架的梁高變化方式比較相近，且跨中截面高度均要大于連續(xù)剛構(gòu)，而水平底板索連續(xù)剛構(gòu)的立面線(xiàn)型則是更多的參照T形剛構(gòu)。橋型對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 常見(jiàn)大跨度梁橋結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

1 受力分析

取跨中梁段進(jìn)行局部受力分析，傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)跨中底板索沿底板線(xiàn)型與底板呈平行布置，根據(jù)力的疊加原理，可得，跨中處底板預(yù)應(yīng)力最大，且沿邊跨方向逐漸減小。

取跨中底板束某一節(jié)段進(jìn)行分析，將鋼束張拉力沿水平方向和豎直方向進(jìn)行分解。水平分力可以為梁體提供需要的預(yù)應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)剛度，但是豎向分力為無(wú)用分力，且無(wú)其他力進(jìn)行抵消。

對(duì)跨中底板索段進(jìn)行整體受力分析，將徑向分力簡(jiǎn)化成跨中底板索段受到的徑向力，可以發(fā)現(xiàn)，均布徑向分力作用區(qū)間、作用方向與梁體下?lián)戏较蚝拖聯(lián)衔恢没疽恢隆Ｍ瑫r(shí)徑向力產(chǎn)生的初始變形向下，加劇箱梁下?lián)稀?/p>

2 徑向力量化分析

底板縱向鋼束完全沿底板曲線(xiàn)行走將導(dǎo)致較大的徑向力，任意點(diǎn)徑向力分力幾度q=T/R,其中T為該點(diǎn)有效預(yù)應(yīng)力，R為該點(diǎn)曲率半徑。

對(duì)該橋采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)確定底板變化形式，假定梁高變化采用1.5次拋物線(xiàn)，跨中梁高3m，支點(diǎn)處梁高9m，則梁高變化曲線(xiàn)為

利用MIDAS Civil建立建立橋梁模型，提取中跨在跨中底板索作用下的豎向位移。

由圖3可以看出，跨中底板曲線(xiàn)設(shè)置的連續(xù)剛構(gòu)橋位移明顯大于跨中底板水平設(shè)置，最大相差15%，由此可見(jiàn)跨中底板水平設(shè)置方式更優(yōu)。

圖3 底板索徑向力作用下的位移

3 水平底板索水平段長(zhǎng)度的確定

水平底板索技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)有：等截面水平段長(zhǎng)度、等截面水平段高度、水平段與曲線(xiàn)段的過(guò)渡方式。假定跨中梁高為4m，根據(jù)主孔跨徑及階段劃分長(zhǎng)度，本橋的跨中底板索設(shè)置長(zhǎng)度宜為58m，其中跨總合龍段為2m，按照單側(cè)水平段個(gè)數(shù)進(jìn)行區(qū)分，考慮到剛度原因及構(gòu)造原因，可選擇個(gè)數(shù)為3、4、5，即確定為26m、34m、42m進(jìn)行對(duì)比。

新莊壕大橋箱梁高度方程：

其中h中為跨中水平底板段梁高，l中為跨中水平底板段長(zhǎng)度，x原點(diǎn)在跨中水平底板段端部。

調(diào)整等梁高段長(zhǎng)度與箱梁高度方程，分別建立有限元模型。在連續(xù)剛構(gòu)橋的計(jì)算中，主要控制因素是應(yīng)力，同時(shí)考量本文主要研究的位移控制，從應(yīng)力和位移兩個(gè)維度去比較跨中水平底板段的設(shè)置。

分別建立跨中水平段長(zhǎng)度分別為26m、34m、42m的連續(xù)剛構(gòu)有限元模型，得到中跨在基本組合工況下的板底豎向位移，見(jiàn)圖4。

圖4 不同水平段長(zhǎng)度時(shí)的豎向位移（單位：mm）

得到中跨在不同水平底板長(zhǎng)度時(shí)的底板最大組合應(yīng)力，見(jiàn)圖5。

圖5 不同水平段長(zhǎng)度時(shí)的最大組合應(yīng)力（單位：MPa）

由以上三種不同水平段長(zhǎng)度的分析結(jié)果可知：

1）對(duì)比中跨最大位移值，跨中水平段長(zhǎng)度為34m的中跨底板豎向位移最大值最小；

2）對(duì)比中跨最大組合應(yīng)力值，組合應(yīng)力在絕大部分節(jié)段內(nèi)數(shù)值變化不大，在等截面和變截面交界處變化較為明顯，且隨著跨中水平段長(zhǎng)度的增大而增大?？缰兴蕉伍L(zhǎng)度的變化，在一定范圍內(nèi)能夠提高組合應(yīng)力的最大承載能力，但是當(dāng)超過(guò)一定的限值后，變化趨勢(shì)成負(fù)相關(guān)。因此在設(shè)計(jì)中，既要減小突變處的應(yīng)力，又要增加跨中最大組合應(yīng)力，所以水平段的長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)選取，結(jié)合組合應(yīng)力變化，跨中水平段長(zhǎng)度為34m的設(shè)置方式更優(yōu)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)橋跨中底板索的的受力分析，底板索的徑向分力是造成梁體下?lián)系闹饕?，通過(guò)對(duì)比有無(wú)徑向力的計(jì)算結(jié)果，可知水平底板索連續(xù)剛構(gòu)橋能夠在根本上解決跨中底板索徑向力對(duì)跨中下?lián)系挠绊?，但是跨中等梁高段的長(zhǎng)度、高度等參數(shù)還是要根據(jù)跨徑、節(jié)段長(zhǎng)度等綜合考慮試算得出，保證在滿(mǎn)足受力的前提下盡可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高構(gòu)造合理性。

1）從豎向位移上看，不同水平段長(zhǎng)度變化大致相同，但是由于水平段長(zhǎng)度不同，豎向位移達(dá)到最大值的位置也不同，其中34m的連續(xù)剛構(gòu)最大位移絕對(duì)值最小。不同水平段高度變化大致相同，隨著水平段高度的增大而增大，故不宜采用過(guò)大梁高。

2）從組合應(yīng)力上看，不同水平段長(zhǎng)度變化大致相同，變化主要表現(xiàn)在等截面和變截面的交界處，其中26m最小，42m最大。在支點(diǎn)處，26m時(shí)組合應(yīng)力最大，所以水平段的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)應(yīng)力分布最優(yōu)來(lái)設(shè)計(jì)，故長(zhǎng)度選擇為34m。不同水平段高度的變化趨勢(shì)大致相同，但綜合考慮支點(diǎn)處和跨中處的組合應(yīng)力，梁高選擇不宜太大或太小。