曲线梁桥常见病害与设计要点

文章编号:1671-2579(2008)06-0149-03

中 外 公 路

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曲线梁桥常见病害与设计要点

周若来,陈卫东

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉 430056)

摘 要:由于曲率的影响,曲线桥与直线桥受力机制有很大差异,相应的病害也有较大不同。该文列举了几种典型曲线梁桥病害,并根据病害产生原因,总结主梁和下部结构设计中需要注意的内容,以期对设计人员有一定参考作用。

关键词:曲线梁桥;常见病害;主梁;下构;设计要点

深圳市滨河路车公庙立交桥,上部采用单箱双室

1 曲线梁桥的发展

随着我国公路建设的蓬勃发展,公路间转换越来越多,互通和枢纽规模随之增大,曲线桥由于能很好地适应地形地物的需要,而且曲线结构线条优美、流畅、富有动感,因此,受到工程师的青睐。

曲线梁桥的受力机制和直线桥有很大差异,早期设计者对曲线梁桥结构的计算理论不甚了解,且限于当时的计算水平,通常采用直线梁模型计算后根据经验予以修正。随着计算理论的不断完善,空间计算软件的不断推出,曲线梁桥的分析可以更加精确,工程师对曲线梁桥的受力性能有了更好的把握,曲线梁桥更是如雨后春笋一般涌现。

然而随着曲线梁桥的大规模使用,各种病害也大量出现,甚至许多桥发生了安全事故,对国家造成巨大的经济损失,在社会上也造成了很大负面影响。

箱形截面,桥梁中心线曲线半径266.3m,6跨一联,桥宽10m,两侧悬臂2.0m,梁高2.8m。中间3个支承采用独柱支承,其余为双柱支承。该桥施工第一浇筑段,预应力张拉后,按照施工程序拆除跨中支架时,引起梁端及中间支承附近梁体外侧支架承载能力不足,产生支架垮塌,主梁产生翻转。

2007年包头民族东路高架桥发生侧翻。由于3辆货车严重超载并行驶在同一桥跨上,每辆车装载钢板都在100t以上,而桥梁设计载重量为35t。

(3)横向滑移

深圳市滨海大道南油立交桥,该桥采用独柱三跨连续梁,梁体中心线圆曲线半径为68.5m或83.5m。桥宽8m,梁底宽3.8m,悬臂2.1m,主梁梁高2.0m(中跨45m)、1.65m(中跨35m)。中间独柱支承采用双向活动盆式橡胶支座。在进行荷载试验时发生梁体的较大偏转,最大偏转为1.53%,外侧最大下沉为60cm,内侧最大上翘为63cm,主梁向曲线外侧最大滑移45cm。

(4)扭转翘曲

深圳市华强北立交A、B匝道桥均为6孔预应力混凝土连续梁,桥梁中线曲线半径分别为255m和275m。箱梁截面为单箱单室,梁高2.2m,箱梁顶宽9.0m,底宽5.0m,支座布置边墩采用板式橡胶支座,其余均为双向活动支座。该桥2000年6月在无任何先兆情况下,A匝道桥突然发生梁体侧向位移、平面外

2 常见病害

(1)支座脱空

深圳市春风路高架桥为独柱三跨预应力连续弯

梁,桥梁中心线曲线半径60m,采用单箱单室箱形截面,全宽10.5m,两侧悬臂3.0m。在施工预应力张拉后发生梁体的转动,导致梁体曲线内侧支座脱空。

(2)主梁侧翻

收稿日期:2008-03-27(修改稿)

作者简介:周若来,男,硕士,工程师.E-mail:guitar39@163.com 150 中 外 公 路 28卷 挠曲并伴随严重的扭转变形。各墩处径向平移位移量分别为18、21、33、47、46、22、19cm(A匝道),梁端端部扭转角达2.42b和2.35b。两侧边墩曲线内侧支座已脱空。

以上仅列举出几种典型的曲线梁桥病害形式,实际上,近年来曲线梁桥反映出的问题还有许多,大多数病害在设计中若引起足够重视并采取相应措施是可以避免的。下文结合笔者参加的曲线梁桥设计和加固工作,对曲线梁桥设计需要注意的问题进行分析和论述。

适,这样可尽量减少曲率的影响,使梁的受力更接近直线梁。

(5)对于受地形控制或跨越要求的匝道桥,采用小跨径普通钢筋混凝土箱梁不能满足要求时,可采用预应力混凝土曲线梁桥。纵向预应力筋采用高强度低松弛钢绞线,钢束布置遵照/少股多束,长短结合0的原则:/少股0即每根预应力钢束组成股数不宜过多,尽量采用小吨位张拉,一般控制股数不大于12股;/多束0即在腹板中竖向多布置几束预应力筋,这样可克服单根大吨位钢束预应力损失大的弊端,减小了锚端应力集中,同时为计算中调束提供了更大的便利;/长短结合0就是一联通长钢束与跨中、墩顶短钢束结合使用,

3.1 力学特性

曲线梁桥与直线梁相比,其受力性能需考虑轴向变形与平面内弯曲的耦合,竖向挠曲与扭转的耦合。曲线梁桥下部结构的墩顶水平力,除了有制动力、温度力、地震力等以外,还因为弯梁曲率的存在,多了离心力和预应力张拉时产生的径向力,因此曲线梁桥的设计不是一维问题,而是三维问题,通常采用梁格单元法或实体建模计算。3.2 主梁设计要点

(1)根据前述的曲线梁相关理论,整体性好、抗扭刚度大的就地浇注的连续箱形梁桥应作为曲线桥的首选上部形式。

(2)箱梁中应增设中横隔板。5公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范6(JTGD62-2004)中9.3.2条规定:内半径小于240m的弯箱梁应设跨间横隔板,其间距对于钢筋混凝土箱形截面梁不应大于10m;对于预应力箱形截面梁则需经结构分析确定。曲线梁在弯扭耦合作用下,畸变和翘曲效应较直线梁大,因而整个梁体的应力组合变得更加复杂,通过增设中横隔板箱体的畸变和翘曲,使结构分析中可仅考虑弯曲和扭转应力,简化了计算。由于中横隔板仅起到约束箱梁变形的作用,并不参与全桥整体受力,因此,其厚度可设置为30~50cm,配筋按构造要求配置即可。

(3)有些大曲率的曲线梁,特别是采用独柱墩单点支承形式箱梁,调整墩柱偏心后,主梁扭转仍然会引起支座负反力,设计时可考虑采用拉力支座,也可根据扭转方向采取在主梁内侧或外侧加配重混凝土。

(4)对于较小半径的匝道桥,尽量选用小跨径布置,上部结构优先考虑普通钢筋混凝土结构。分联不宜过长,根据曲率大小一般控制在60~100m较为合同样增加了调束的方便,而且弥补了通长钢束应力损失大、而一味增加钢束又会造成局部压应力过大的缺点。另外,尽可能使预应力钢筋的水平合力作用点连线与梁的轴线相吻合,这样对于减少梁体的翘曲有较大作用。

(6)曲线箱梁桥顶、底板的纵向受力一般是外侧大、内侧小,建议纵向钢筋的布置采取/外密内疏0布置,或为构造简单在平面杆系程序计算配筋基础上适当放大均匀布置,总之要防止外侧较内侧提前破坏。上、下层横向钢筋以及腹板箍筋应有足够的焊接或搭接长度,箍筋采用135b弯勾以抵抗强大的扭矩,同时增加抗震能力。

(7)对预应力混凝土曲线梁桥,为防止预应力束径向压力过大对梁体造成破坏,须在腹板内设置足够数量的防崩钢筋。防崩钢筋采用带肋钢筋,防崩钢筋开口方向应朝曲线外侧。由于曲梁中的预应力线形一般比较复杂,为减少摩阻损失可选用塑料波纹管。

3 主梁设计

4 下部设计

4.1 下构病害和设计误区

前文介绍的曲线桥病害很多是由于下部结构设置不合理造成的。主梁向外侧滑移可以从下部结构着手解决,采用主梁与桥墩固结或在桥墩上设置限位挡块;主梁侧翻可以增加抗扭支承解决;许多设计人员较忽视下部结构的设计,通常把直线桥的下部构造拿来就用,不考虑这样的设置是否存在安全隐患,计算也只是对主梁分析较为重视,忽略对下部结构的验算,导致许多独柱墩开裂甚至失稳情况发生。

我国5公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范6(JTGD62-2004)中对曲线梁桥设计没有具体 6期 曲线梁桥常见病害与设计要点

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规定,设计中采用的形式五花八门,相应病害也层出不穷,通过对历年来曲线桥病害处理,业界也积累了不少经验,对于曲线梁桥的设计有一定的指导作用。4.2 下部设计要点

(1)支承方式

曲线梁桥的不同支承方式对上、下部结构内力分布影响很大。曲线梁桥的中间支承一般分为两种类型:抗扭型支承(多支点或墩梁固结)和单点铰支承(图1)。设计时其支承方式的选择可参考以下原则:

扭支承的恒载扭矩值,使梁体自身达到平衡。但是曲线桥除承受自重还有活载作用,特别是车辆偏载时,对主梁产生很大扭转,通常情况下可在按自重平衡的偏心值基础上适当放大。采用三维程序计算时也应当将偏载影响适当考虑大些。

(4)限位措施由于离心力、温变的影响,梁体会逐渐向外侧滑移,因此必须其位移。通常可以在箱梁腹板外侧与墩台挡块之间放置橡胶垫块,这样既允许梁体产生一定的位移,又了其位移量,不至于破坏伸缩缝和支座。由于侧向力较大,建议将挡块设计得坚固些。对于美观性要求较高的桥梁,在设置梁侧挡块有困难的情况下可考虑将主梁横隔板底部做成企口,帽梁中做成突起嵌入主梁企口中,突起和企口之间留一定间距,这种设计也可起到横向位移的作用,同时满足桥梁美观的要求。

图1 曲线梁桥的中间支承类型

¹对于宽桥和曲线半径较大的曲线梁桥,由于主梁扭转作用较小,桥体宽要求主梁增加横向稳定性,中墩宜采用抗扭能力较强的多柱或多支座的支承方式,也可采用墩柱与梁固结的支承形式。

º对于窄桥和曲线半径较小的曲线梁桥,由于主梁扭转作用较为明显,特别是预应力钢束径向力的作用下,主梁扭转变形很大,宜采用独柱墩,但支承形式的选择与墩高有一定关系,较高的中墩可采用墩柱与梁固结的形式。较矮的中墩可采用较弱抗扭能力的单点支承方式。

»对于墩梁固结的曲线梁桥,墩柱截面形状选择也相当重要。设计中必须考虑墩柱的弯矩变化,在主梁的扭转变形过大同时墩柱弯矩也很大(一般墩柱较矮)的情况下,宜采用矩形截面墩柱,因为矩形截面沿主梁纵向抗推刚度小,而沿主梁横向抗弯刚度大,更加符合曲线梁桥受力特点。

(2)支座形式

由于主梁在日照的反复作用以及汽车离心力的作用下容易发生横向位移,因此,建议中墩上设置横向位移的支座,如盆式橡胶支座或有横向位移固定装置的板式支座。对于支座可能出现负反力的情况,可以采用拉力支座。

(3)预偏心

在中间墩点支承向曲线外侧方向预设一定偏心值,就可以调整梁体恒载扭矩分布,有效地降低两端抗5 结语

由于曲线梁桥的受力情况较为复杂,本文提出的要点只是定性地给出设计中需要注意的问题。设计人员应该保持严谨的态度,结构分析尽可能采用两种以上计算软件,建模时考虑上、下部的共同作用,有条件的情况下根据实际温度计算,将桥梁可能承受的各种作用最不利组合,将两种软件的计算结果相互比对,分析其差异以及差异产生的原因,杜绝安全事故的发生,减少桥梁病害。参考文献:

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