小半徑預(yù)應(yīng)力砼曲線梁橋設(shè)計體會

1、<p>　　小半徑預(yù)應(yīng)力砼曲線梁橋設(shè)計體會</p><p>　　摘要：文中對小半徑曲線橋的受力特點進行簡要分析，并通過具體實例列舉了設(shè)計中的一些處理方法。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力曲線梁扭矩偏心荷載 </p><p>　　中圖分類號： TU378文獻標識碼： A </p><p><b>　　1 概述 <

2、/b></p><p>　　隨著城市交通的快速發(fā)展，城市立交正得到廣泛的應(yīng)用，使日益繁忙擁擠的交通狀況得到極大改善。在立交設(shè)計中，轉(zhuǎn)向匝道較多采用小半徑曲線連續(xù)梁（鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁），但由于以往對這種曲線橋的認識不足，在設(shè)計和施工過程中未能有針對性地采取不同于直線橋的技術(shù)措施，致使類似橋梁存在較普遍的質(zhì)量問題和安全隱患。據(jù)對北京、深圳等國內(nèi)幾個大城市的已建曲線梁橋的檢測結(jié)果表明，某些橋梁已發(fā)生梁體

3、水平徑向位移過大、梁體翹曲、墩梁固結(jié)處開裂、支座脫空等不良現(xiàn)象發(fā)生。 </p><p><b>　　2 受力特點 </b></p><p>　　通過對曲梁問題的研究分析，對曲線橋的受力特點有了新的認識，相比直線橋，其主要有以下幾點不同： </p><p>　　荷載偏心引起的扭矩大。 </p><p>　　荷載(恒載和活載

4、)在曲線橋上引起的扭矩較直線橋大。對于直線 </p><p>　　橋，對稱截面的梁體恒載扭矩較小，趨近于零，扭矩主要由活載偏心產(chǎn)生，但由于相對于截面形心的力臂一般較短，其扭矩值不大，通過梁體混凝土和構(gòu)造箍筋可抵抗荷載扭矩。但是，曲線梁由于存在梁體縱軸線與兩支點直接連線間的偏心距，恒載和活載產(chǎn)生的扭矩遠大于同跨徑直線橋。尤其是獨柱式支承的曲線橋，中墩的單支點不能抵抗偏心荷載，全部的偏心荷載傳遞至兩端的抗扭支承（雙支

5、座），在此情況下，連續(xù)梁的全長成為受扭跨度，梁體扭矩將大幅增加。以3×30m連續(xù)梁為例，在城-A級活載及恒載的作用下，直線橋(橋面寬B=8m，每墩設(shè)抗扭支座)的扭矩為2100kN.M，而半徑R=60m的曲線梁（中墩為獨柱墩）的最大扭矩為3900 kN.M，其值為直線橋的1.85倍。恒載扭矩是造成梁體翻轉(zhuǎn)和兩端支座受力不均，甚至使內(nèi)側(cè)支座脫空的主要原因。 </p><p>　　為了減小偏心荷載的扭矩影響，

6、有效的方法是通過設(shè)置中墩抗扭支承來縮短曲線橋的受扭跨度，例如采用雙柱墩或Y形墩等。但是，在某些情況下，出于橋梁總體結(jié)構(gòu)布局或美觀等方面的考慮，采用預(yù)設(shè)支座偏心的方法也不失為一種好的選擇。即將中間支承向曲線梁中心線外側(cè)預(yù)設(shè)某一偏心值，這相當于增加一與荷載扭矩反方向的外扭矩，籍此來抵消一部分荷載扭矩，使曲梁兩端支座的扭矩峰值降低。 </p><p>　　據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)研究結(jié)果，支承偏心對曲梁恒載扭矩的影響最大，但對活

7、載和預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的扭矩影響甚微，這是由于預(yù)應(yīng)力和汽車活載所引起的支承反力遠小于橋梁自重的緣故。下圖為某多跨獨支座預(yù)應(yīng)力曲線連續(xù)梁在預(yù)設(shè)不同偏心距時中支點的梁體恒載、活載和預(yù)應(yīng)力扭矩變化曲線圖。 </p><p>　　圖1：某多跨預(yù)應(yīng)力曲線連續(xù)梁偏心距與荷載扭矩關(guān)系曲線 </p><p><b>　　預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)。 </b></p><p>　　

8、預(yù)應(yīng)力索在曲梁的腹板中是一條沿縱向和豎向彎曲的空間曲線， </p><p>　　具有雙向曲率，由此產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力荷載也是沿梁體分布的空間力系，包括切向、徑向和豎向三個方向的分布力和力矩。此種結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下由于存在空間曲率的影響，其結(jié)構(gòu)的彎、扭等內(nèi)力的耦合以及翹曲變形分析是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)分析。 </p><p>　　目前曲梁內(nèi)力分析一般采用薄壁曲線梁結(jié)構(gòu)空間分析剛度法或空間三維坐標系有

9、限元法，這兩種方法的關(guān)鍵問題是正確導(dǎo)出薄壁空間曲線梁單元的剛度矩陣［K］和預(yù)應(yīng)力空間等效節(jié)點荷載列陣［P］。我國橋梁專家姚玲森提出的曲梁預(yù)應(yīng)力等代荷載通用性計算公式，可以適用于較小半徑預(yù)應(yīng)力曲梁結(jié)構(gòu)，即將預(yù)應(yīng)力鋼索的有效預(yù)加力換算成作用于曲梁上的等代空間荷載進行計算，計算包括二次內(nèi)力在內(nèi)的預(yù)應(yīng)力的總內(nèi)力。通過試算，多次調(diào)整預(yù)加力值、鋼索截面、形狀位置等來使曲梁應(yīng)力狀態(tài)達到較理想狀態(tài)。 </p><p>　　從預(yù)應(yīng)

10、力索張拉施工時出現(xiàn)的梁體外翻的現(xiàn)象分析，筆者認為主要是由于預(yù)應(yīng)力徑向偏心荷載引起的繞縱軸逆時針旋轉(zhuǎn)的扭矩造成的。另空間曲線預(yù)應(yīng)力束與管道孔壁之間的摩阻損失因受預(yù)應(yīng)力鋼索豎向和徑向曲率的影響，其值比平面曲線束大。 </p><p>　　混凝土收縮、徐變及溫度升降引起的梁體的位移。 </p><p>　　從某城市幾座已建成數(shù)年的曲線梁發(fā)生較大徑向位移（梁中段最大位移達20cm）的現(xiàn)象分析，梁體

11、混凝土后期的收縮徐變和溫升是造成曲梁外移的主要原因。但從混凝土材料的收縮、徐變和線膨脹理論公式來看，梁體截面的應(yīng)變值應(yīng)是近似相等的，即是說曲梁整體的變形應(yīng)是均勻線性的，不易發(fā)生梁體曲率的明顯變化。筆者認為是否與混凝土因收縮徐變或溫升溫降形成的塑性應(yīng)變有關(guān)，這部分不能恢復(fù)的變形隨時間的增長而不斷增加，造成了梁體的外移。目前這類研究還在進行中，但從設(shè)計的角度來講，通過合理的支座約束應(yīng)該可以得到較好的解決。 </p><p

12、>　　3 設(shè)計中的處理方法(工程實例) </p><p>　　通過對預(yù)應(yīng)力曲梁橋的受力分析，進而在設(shè)計中采取有效措施改善梁體受力，避免橋梁非正常破損或破壞是問題的關(guān)鍵。筆者于2002年在某曲梁設(shè)計中采取的一些處理方法，提供給讀者參考。 </p><p>　　深圳某立交現(xiàn)狀為二層立交，根據(jù)交通需求，須改造為三層定向式全互通立交，即增設(shè)6條定向匝道，以完善立交的交通轉(zhuǎn)換功能。 </

13、p><p>　　由于位于城市中心區(qū)，受地形條件限制，新增匝道均采用預(yù)應(yīng)力砼曲線連續(xù)梁橋，單孔跨徑25~40m，三~四跨一聯(lián)；其中多聯(lián)橋為小半徑（R≤200m）曲線連續(xù)梁橋。根據(jù)曲梁的受力特點，設(shè)計者在橋梁總體布置和細部構(gòu)造上作了一些特殊設(shè)計。 </p><p><b>　　3.1 橋跨布置 </b></p><p>　　作為城市橋梁，在滿足橋下行車

14、凈空、避讓構(gòu)筑物（包括重要地下管線）及景觀等要求前提下，橋梁單孔跨徑以中、小跨徑為宜。尤其是對于較大曲率的彎橋，為使梁體所受荷載扭矩不至過大，改善曲梁受力狀況，在無特殊要求的情況下，單孔跨徑以取L=20~30m為宜;連續(xù)梁每聯(lián)長度也不宜過長，以避免過大的梁體伸縮及變形，在該工程設(shè)計中，每聯(lián)橋長一般在≤100m范圍內(nèi)。 </p><p>　　另外，梁的高跨比盡量取大值，以1/19~1/20為宜，可加強梁體的受彎扭剛

15、度，避免過大的梁體翹曲變形。 </p><p><b>　　3.2 支座設(shè)置 </b></p><p>　　為了減小偏心荷載的扭矩影響，宜設(shè)置中墩抗扭支承，即多采用雙支座，少用單支座，以減小梁體扭矩。若局部采用單支座，應(yīng)預(yù)設(shè)支座偏心，以減小恒載扭矩。 </p><p>　　支座采用盆式橡膠支座，根據(jù)梁體變位的具體情況（方向和大?。?，分別采用固定

16、、單向、雙向活動支座，利用其不同的限位功能增強橋梁整體適應(yīng)變形的能力。（見圖2） </p><p>　　另外墩梁不宜固結(jié)，限制過度，易引起墩柱開裂。 </p><p>　　圖2：支座布置實例 </p><p>　　3.3 預(yù)應(yīng)力鋼索設(shè)計 </p><p>　　在滿足曲梁抗彎要求的前提下，通過調(diào)整預(yù)加力值、鋼索截面、空間形狀等來盡量減小預(yù)應(yīng)力偏

17、心荷載是設(shè)計中應(yīng)重點考慮的問題。 </p><p>　　曲線梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計，避免梁體截面處于高應(yīng)力狀態(tài)，減小梁體因預(yù)應(yīng)力引起的扭轉(zhuǎn)翹曲變形，且對減小溫度應(yīng)力和控制溫度裂縫有利。 </p><p>　　預(yù)應(yīng)力鋼索設(shè)計為通長連續(xù)配索，根據(jù)正負彎矩的變化調(diào)整鋼索的上下位置，并將正負彎矩過渡段的預(yù)應(yīng)力鋼索盡量向跨中移動，以使預(yù)應(yīng)力徑向分力的合力平衡。 </p>&l

18、t;p>　　內(nèi)、外側(cè)腹板的鋼索可相同配置，原因是：盡管外弧側(cè)腹板彎矩比內(nèi)弧側(cè)主梁大，但由于曲線梁平面彎曲效應(yīng)的結(jié)果，使得外弧側(cè)腹板的預(yù)壓力大于內(nèi)側(cè)腹板。假定一多跨連續(xù)曲梁僅在中墩有水平位移和繞豎軸轉(zhuǎn)動約束，其它墩臺的約束為零，在預(yù)應(yīng)力作用下，曲梁不僅軸向縮短，而且半徑變小，梁端徑向位移。但事實上，兩橋臺對梁體的徑向位移是有約束的，這種約束力會使已變小的半徑再變大，于是內(nèi)側(cè)腹板受到附加的預(yù)拉力，外側(cè)腹板受到附加的預(yù)壓力，如果內(nèi)外側(cè)腹

19、板配同樣數(shù)量的鋼索，內(nèi)側(cè)腹板可能出現(xiàn)預(yù)壓力不足的問題。但為方便設(shè)計施工，仍按相同數(shù)量的鋼索配置。 </p><p>　　3.4 構(gòu)造鋼筋設(shè)置 </p><p>　　為使預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徑向崩彈力均勻傳遞給混凝土和普通鋼筋骨架，在梁體腹板內(nèi)須設(shè)置預(yù)應(yīng)力束的防崩鋼筋，以防止其從腹板中崩出。1978年美國舊金山一座曲線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁因鋼筋配置不當，在箱梁腹板內(nèi)弧側(cè)發(fā)生了部分預(yù)應(yīng)力束的崩出事故。

20、防崩鋼筋沿箱梁縱向均勻分布，間距50cm~80cm，鋼筋直徑￠12~16mm, </p><p>　　將預(yù)應(yīng)力束箍住并綁扎于腹板外弧側(cè)的橫向箍筋上。（見圖3） </p><p>　　圖3：曲梁防崩鋼筋布置 </p><p>　　曲梁的扭矩除通過支點預(yù)偏，合理布設(shè)預(yù)應(yīng)力等措施外，還考慮通過配置適量的普通鋼筋來承擔部分扭矩。因此，與一般的直線橋相比，曲線箱梁橋頂板、底板

21、和腹板中的縱向受力鋼筋、箍筋、梗腋鋼筋及水平分布筋應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果適當加強。 </p><p>　　3.5 其它構(gòu)造措施 </p><p>　　針對曲線梁扭矩大的受力特點，箱梁截面尺寸應(yīng)適當加大，兩腹板因配置較多預(yù)應(yīng)力鋼索和普通鋼筋的需要，其厚度以不小于50cm為宜；在箱梁的每跨跨中和兩端可增設(shè)1~2 道橫隔板或橫隔梁，以加強箱梁的抗扭剛度。 </p><p>　　整

22、體澆注的連續(xù)曲梁每聯(lián)長宜在80~100m之間，為減小混凝土收縮裂縫，可分段澆注，在每跨彎矩較小截面處預(yù)留80~100cm寬后澆帶，待其它段澆注完成后再澆注該段混凝土。 </p><p><b>　　4 結(jié)語 </b></p><p>　　近年來，預(yù)應(yīng)力曲線梁在城市高架橋和立交工程中是一種經(jīng)常被采用的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計和施工中出現(xiàn)的問題也帶有普遍性，通過一些設(shè)計手段和措施

23、，可以得到較好的解決。但有些只是經(jīng)驗方法和構(gòu)造處理，從理論分析的角度，還沒有得到較完善正確的結(jié)論，如空間溫度梯度模式、混凝土收縮徐變的空間變化規(guī)律等的研究。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 城市高架橋的結(jié)構(gòu)理論與計算方法黃劍源 謝旭科學出版社 </p><p>　　[2] 曲線梁橋力學分析程序?qū)O廣華