城市小半徑曲線分叉梁橋設(shè)計(jì)研究

路曉宇

(林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司, 重慶 401121)

隨著城市交通建設(shè)的快速發(fā)展,為滿足不同方向的連接需求,道路平面會(huì)由主線分叉為2個(gè)或多個(gè)匝道,由此產(chǎn)生分叉變寬橋梁,此類橋梁主線段橋面寬度通常變化劇烈,分支匝道則需轉(zhuǎn)方向連接其他線路,基于對(duì)下層道路的跨越需求、地形限制、用地范圍限制等因素,通常會(huì)設(shè)計(jì)小轉(zhuǎn)彎半徑匝道。據(jù)此,基于上述地形及工程建設(shè)需求,提出小半徑曲線分叉變寬橋梁的概念,即通過沿全橋變寬度、變曲率、變坡度實(shí)現(xiàn)梁體外形順暢過渡,以滿足行車舒適度的要求。

小半徑曲線橋梁和分叉變寬橋梁分別在國(guó)內(nèi)有一定研究成果。劉思青[1]通過合理建立三維梁格模型,總結(jié)了分叉變寬橋不同腹板的受力特性,并分析了縱橫梁剛度對(duì)梁體內(nèi)力的影響。郭丁[2]基于不同類型變寬箱梁,運(yùn)用Midas/Civil軟件實(shí)現(xiàn)了梁格法參數(shù)化建模。魏金校、彭衛(wèi)兵等[3-4]根據(jù)工程實(shí)例,分析了曲線梁橋的傾覆原理,并提出計(jì)算方法。張秋陵等[5]通過ANSYS軟件進(jìn)行空間實(shí)體模擬,指出彎橋?qū)捒绫刃∮?～4時(shí),梁體在預(yù)應(yīng)力作用下發(fā)生了水平和垂直位移,梁體有向外翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。史芳華等[6]分析了爬移問題產(chǎn)生的機(jī)理,歸納出橋梁爬移的幾種模式,并提出預(yù)防方法。

基于上述已有成果,本文依托重慶市市區(qū)某小半徑曲線分叉橋梁的工程背景,從橋梁分聯(lián)形式、支撐方式、箱室構(gòu)造、預(yù)應(yīng)力配置等方面探討該類橋梁的設(shè)計(jì),論述解決小半徑曲線分叉橋工程病害的設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

為滿足交通量需求,重慶市主城某片區(qū)需進(jìn)行路網(wǎng)改造,改造內(nèi)容含跨越地面既有主干路的橋梁。該橋道路線型為90°轉(zhuǎn)彎,平曲線半徑為45 m,平面為分叉形式,由主線引出2條匝道,橋面寬度變化范圍為16.5 m～27.5 m。

橋梁結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,箱梁跨徑布置為20 m+30 m+2×27 m+2×30 m,梁高1.6 m,如圖1所示。

2 計(jì)算模型

曲線梁橋受彎扭耦合作用,在荷載作用下曲線內(nèi)外側(cè)腹板的內(nèi)力差距大,分叉橋橋?qū)捵兓瘎×?寬跨比大,傳統(tǒng)的窄橋相關(guān)理論不能完全適用該橋梁。

2.1 模型的建立

該項(xiàng)目橋梁P2～P5跨位于圓曲線上,P4～A6跨為分叉變寬段,P4墩折線橫梁處左右梁截面存在寬度突變,單梁模型模擬誤差較大。活載局部偏載時(shí),加載側(cè)腹板剪力滯后效應(yīng)突出,實(shí)體單元模擬可更精準(zhǔn)反映梁截面橫向應(yīng)力分布的不均勻狀態(tài),但運(yùn)算代價(jià)高,且應(yīng)力形式的計(jì)算結(jié)果不符合設(shè)計(jì)習(xí)慣。梁格法將多箱室梁體等效為由橫向虛梁連接的多片縱向梁格,計(jì)算效率高,但未考慮寬橋的剪力滯后效應(yīng),可通過實(shí)體單元計(jì)算剪力滯系數(shù)以修正梁格法計(jì)算的正應(yīng)力結(jié)果[7-9]。綜上,選擇梁格模型進(jìn)行計(jì)算分析。

該梁箱室寬度在同一截面寬度不等,箱室數(shù)量沿全橋不少于3個(gè),沿每個(gè)箱室對(duì)稱軸進(jìn)行切分可形成對(duì)稱的中腹板縱梁和不對(duì)稱的邊腹板縱梁,邊腹板懸挑翼緣短,故對(duì)整體中性軸影響較小,該劃分方式可使箱室數(shù)量多的梁格模型更接近整體箱梁中性軸[10-11]。梁格理論中,箱梁的全部自重由梁格中的每個(gè)桿件承擔(dān),Midas/Civil中根據(jù)單元賦予的材質(zhì)自動(dòng)計(jì)算自重,橫向梁?jiǎn)卧荒芘c縱向梁?jiǎn)卧貜?fù)計(jì)算自重,故將所有橫向梁格單元設(shè)置為無容重,將橫梁和橫隔板自重以外荷載形式施加在橫向單元上。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

1) 道路等級(jí):城市支路。

2) 設(shè)計(jì)車道數(shù):雙向4車道,分叉處局部為5車道。

3) 設(shè)計(jì)行車速度:30 km/h。

4) 汽車荷載:城-B級(jí)。

5) 橫坡:直線段為雙向1.5%,轉(zhuǎn)彎處為單向2%超高坡。

6) 縱坡:全橋?yàn)?%單向坡。

2.3 材料及特性

箱梁材質(zhì)為C50混凝土,縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Φs15.2低松弛7股型鋼絞線,錨下張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa,主要受力鋼筋為HRB400級(jí)普通鋼筋。

3 分聯(lián)形式及支撐方式

基于預(yù)應(yīng)力效應(yīng),溫度效應(yīng),汽車離心力,混凝土收縮徐變,下部結(jié)構(gòu)傾斜沉降,施工誤差等綜合因素影響,曲線橋會(huì)積累難以恢復(fù)的爬移變形。爬移問題分為6種模式[6],分別為繞固定墩的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)、支座橫橋向約束失效后沿曲線徑向的平動(dòng)、支座縱橋向約束失效后沿曲線切向的平動(dòng)、曲線外側(cè)支座脫空、外力作用下橋梁曲線半徑發(fā)生變化,梁體爬移會(huì)直接導(dǎo)致伸縮縫損壞及支座病害,若進(jìn)一步發(fā)展則梁體有傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)階段解決曲線梁爬移問題的方式主要有設(shè)置側(cè)向支撐、加強(qiáng)支座約束、使用雙柱墩、設(shè)計(jì)支座預(yù)偏心等[12]。其核心原理是通過額外外力約束限制橋梁整體位移,或通過調(diào)整支撐反力減小曲線內(nèi)外側(cè)受力差異。

3.1 分聯(lián)形式

由主線分叉為兩支匝道的橋梁,傳統(tǒng)做法是在分叉處分聯(lián),以避免線型和橋面寬度相差較大的匝道橋與主線橋受力狀態(tài)耦合,該設(shè)計(jì)方法使各聯(lián)橋梁寬度變化順暢,也便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),適用于分叉線交角小匝道轉(zhuǎn)彎半徑大的分叉梁。但對(duì)于小半徑曲線的匝道,將增加梁體整體爬移和傾覆的隱患[13-14]。該項(xiàng)目?jī)稍训雷笾榍€,右支為直線,可將主線與曲線匝道橋不分聯(lián),作為一個(gè)整體,主線與直線匝道分聯(lián)。主線橋橋面寬度大,通過分叉變寬梁體的自身重力限制曲線段梁體的整體爬移,可使曲線段梁體內(nèi)外側(cè)支撐反力的分配差距減小。分別建立P4墩處分聯(lián)和不分聯(lián)2個(gè)梁格模型,用以對(duì)比2種分聯(lián)形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1) 支撐反力對(duì)比

2種模型曲線內(nèi)外側(cè)支撐反力的分配如圖2、圖3所示。圖3中,僅對(duì)比位于曲線位置梁段的支撐反力。

(a) 模型1:A0～P4四跨一聯(lián)

(a) 模型1

從圖3可見,同一支撐位置,模型2中的P2、P3墩雙支撐曲線內(nèi)外側(cè)支撐反力差較模型1更小;P4墩位置的3支座布置較模型1的雙支座布置的反力分配顯著改善,模型2較模型1曲線內(nèi)外側(cè)支座反力差由56%降低為7.2%。模型2中,P4～A6梁段對(duì)模型1中A0～P4梁段的壓重作用改善了曲線橋的反力分配。

2) 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)比

為減少因腹板曲線半徑小引起的預(yù)應(yīng)力損失,模型2不分聯(lián)方案采用分段張拉,分別在P1～P2、P3～P4的跨徑3/4處設(shè)置施工縫,共分為3個(gè)施工節(jié)段,如圖4所示。其中P4～A6梁段鋼束為兩端張拉,梁段P2～P4和A0～P2均為單端張拉。

圖4 全橋結(jié)構(gòu)及鋼束平面布置

模型1分聯(lián)方案可在P4處同時(shí)張拉P2～P4梁段和P4～A6梁段的鋼束,P2～P4梁段采用兩端張拉,故分聯(lián)方案可節(jié)約一個(gè)梁段的施工時(shí)間,預(yù)應(yīng)力損失也相應(yīng)減少。

2個(gè)方案的預(yù)應(yīng)力損失對(duì)比如圖5所示。由圖5可知,約30 m梁段范圍內(nèi),不分聯(lián)方案的預(yù)應(yīng)力損失相較分聯(lián)方案減少。

注:縱軸應(yīng)力為扣除所有損失的有效應(yīng)力。

3) 活載偏載響應(yīng)對(duì)比

分聯(lián)方案使P4墩處為簡(jiǎn)支,活載偏載下,兩方案彎矩分配不同,選取內(nèi)力最大的最外側(cè)腹板進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。由表1可見,分聯(lián)方案雖在P4處無彎矩,但其他控制設(shè)計(jì)的位置彎矩增大,負(fù)彎矩最大提高11%,正彎矩最大提高22%。

表1 兩方案活載偏載彎矩絕對(duì)值對(duì)比

綜上,不分聯(lián)方案支撐反力分配更均勻,抗傾覆和爬移的儲(chǔ)備更大;分聯(lián)方案可節(jié)約一個(gè)梁段的施工周期,一跨梁的預(yù)應(yīng)力損失減少,活載偏載下,控制截面彎矩絕對(duì)值增大,故工期無特殊要求的前提下,選擇不分聯(lián)方案更優(yōu)。

3.2 支撐方式

根據(jù)橋梁爬移和傾覆問題的計(jì)算理論,設(shè)置固結(jié)墩和支座預(yù)偏心能改善梁體的剛體運(yùn)動(dòng)[15]。P2～P4梁段位于曲線位置,且自重較輕,故選擇該梁段中央P3墩為墩梁固結(jié)形式,其他墩均放置支座。因該項(xiàng)目橋墩為斜率相同的V形雙柱墩,每個(gè)墩位支座間距均相同,故選擇將P2、P3、P5中墩支座整體向曲線外側(cè)偏心10 cm,P4墩處橋面寬度達(dá)到30.3 m,曲線外側(cè)增加一個(gè)獨(dú)柱墩,設(shè)置3支座。為便于折線橫梁配置普通鋼筋,以橫梁均勻分配正負(fù)彎矩為原則確定支座位置。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 箱室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單箱多室箱梁抗彎-扭承載能力強(qiáng),為進(jìn)一步加強(qiáng)整體性,約束箱梁畸變變形,在位于曲線段的P2～P5每跨跨中各設(shè)置1道橫隔板,厚度為40 cm。A0～P4為單箱3室,為滿足橋面分叉處變寬需要,箱室數(shù)量在P4墩處增加,由單向3室箱室變?yōu)閱蜗?室;P5～A6橋?qū)捠照?減少1道腹板,變?yōu)閱蜗?室,具體尺寸如圖6所示。

(a) A0～P1箱梁跨中斷面

該橋曲線內(nèi)外側(cè)腹板跨徑差距大,曲線內(nèi)外側(cè)腹板跨度對(duì)比如表2所示。

表2 曲線處腹板跨徑對(duì)比 m

從表2可知,P3～P4跨內(nèi)外側(cè)腹板跨徑相差最大,為9.36 m。

4.2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),腹板設(shè)置縱橋向通長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力鋼束,所有中腹板和邊腹板均配置3排2列通長(zhǎng)鋼束,如圖7所示;基本組合內(nèi)力如表3所示。

表3 曲線處腹板基本組合彎矩 kN·m

單位:cm

從表3可知,P4墩橋梁分叉處,內(nèi)外側(cè)腹板負(fù)彎矩相差較大,基本組合下,曲線腹板由外向內(nèi)彎矩值逐步減小,故第1施工節(jié)段同一截面內(nèi)外側(cè)腹板應(yīng)配置規(guī)格不同的鋼束,曲線內(nèi)側(cè)腹板選用13-Φs15.2,曲線外側(cè)腹板選用18-Φs15.2,分叉加寬的2條直線腹板選用13-Φs15.2。內(nèi)側(cè)腹板選用更小規(guī)格的鋼束,亦可減小鋼束對(duì)梁體的徑向作用,外側(cè)腹板選用大規(guī)格鋼束,既能提高外側(cè)腹板的豎向承載力,亦可抵消部分使曲線梁段向外翻轉(zhuǎn)的扭矩[16]。

由于鋼束二次效應(yīng)的影響,基本組合工況下,P2～P3跨中正彎矩和P3處負(fù)彎矩并非與各個(gè)縱梁跨徑呈正相關(guān),故第2施工節(jié)段均采用18-Φs15.2,通過調(diào)整各腹板的鋼束線型來適應(yīng)各腹板的內(nèi)力差異。

第2施工階段位于直線段,預(yù)應(yīng)力損失較曲線段小,A0～P1邊跨跨徑僅為中跨P1～P2的2/3,故選用更小的鋼束型號(hào)12-Φs15.2。

全橋施工縫處鋼束連接器匹配所連接鋼束的較大型號(hào)。為防止預(yù)應(yīng)力鋼筋向曲線內(nèi)側(cè)彈崩,沿全橋配置間距為15 cm的防崩鋼筋。

5 結(jié)論

1) 當(dāng)分叉橋梁引出的一個(gè)匝道曲線半徑較小時(shí),在分叉處采用分跨不分聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式能夠改善小半徑曲線段梁體的內(nèi)外側(cè)支撐反力分配;不分聯(lián)方案的分叉梁段對(duì)寬度小的曲線梁段起到壓重作用,可提高橋梁的抗傾覆、抗爬移的能力。分聯(lián)方案的施工周期較短,預(yù)應(yīng)力損失較小,但活載偏載下內(nèi)力增加,故對(duì)施工周期無特殊要求時(shí),推薦不分聯(lián)方案。

2) 通過在曲線梁段設(shè)置固結(jié)墩、調(diào)整支座偏心可進(jìn)一步增加梁體的抗傾覆、抗爬移措施。

3) 小半徑曲線分叉橋?qū)挾茸兓?需在分叉處增加箱室數(shù)量,每道縱梁腹板線型的設(shè)計(jì)應(yīng)保證匝道段和主線段的順暢過渡,使內(nèi)力過渡均勻,方便預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置。

4) 曲線梁橋同一跨曲線內(nèi)外側(cè)腹板跨徑差異大,同截面配置不同規(guī)格的鋼束來適應(yīng)各腹板的內(nèi)力差異。根據(jù)不同施工段的梁體內(nèi)力選擇不同規(guī)格的鋼束,以便于設(shè)計(jì)并節(jié)約成本。