彎梁橋由于其結(jié)構(gòu)受力的特殊性,較同等跨徑的直梁橋要復(fù)雜得多,因此在進行彎橋設(shè)計和計算時應(yīng)引起足夠的重視。
1、概述
目前彎梁橋在現(xiàn)代化的公路及城市道路立交中的數(shù)量逐年增加,應(yīng)用已非常普遍。尤其在互通式立交的匝道橋設(shè)計中應(yīng)用更為廣泛。由于受地形、地物和占地面積的影響,匝道的設(shè)計往往受到多種因素的限制,這就決定了匝道橋設(shè)計具有以下特點:
⑴匝道橋的橋面寬度比較窄,一般匝道寬度在6~11m左右。
、朴捎谠训朗怯脕韺崿F(xiàn)道路的轉(zhuǎn)向功能的,在城市中立交往往受到占地面積的限制,所以匝道橋多為小半徑的曲線梁橋,而且設(shè)置較大超高值。
、窃训罉蛲O(shè)置較大縱坡,匝道不僅跨越下面的非機動車道,有時還需跨越主干道和匝道,這就增大了匝道橋的長度。由于匝道橋具有斜、彎、坡、異形等特點,給橋梁的線型設(shè)計和構(gòu)造處理帶來很大困難。
2、彎梁橋的平面及縱、橫斷面布置
隨著高等級公路在路線線形方面的要求越來越高,要求橋梁設(shè)計完全符合路線線形,所以橋梁的平面布置,基本上應(yīng)服從整體線形布置的要求,橋梁縱坡也應(yīng)服從路線縱坡。為了抵抗梁截面的彎矩和扭矩,在彎梁橋設(shè)計中多采用箱形截面。由于橋面超高的需要及梁體受扭時外邊梁受力較大的需要,故可在橋梁橫向?qū)⒏髦髁翰贾米龀刹煌牧焊撸瑸榱藰?gòu)造簡單,方便施工,也可將主梁做成等高度的,其超高橫坡由墩臺頂面形成。
3、彎梁橋結(jié)構(gòu)受力特點
3.1梁體的彎扭耦合作用曲梁在外荷載的作用下會同時產(chǎn)生彎矩和扭矩,并且互相影響,使梁截面處于彎扭耦合作用的狀態(tài),其截面主拉應(yīng)力往往比相應(yīng)的直梁橋大得多,這是曲梁獨有的受力特點。彎梁橋由于受到強大的扭矩作用,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,其曲線外側(cè)的豎向撓度大于同跨徑的直橋;由于彎扭耦合作用,在梁端可能出現(xiàn)翹曲;當(dāng)梁端橫橋向約束較弱時,梁體有向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢。
3.2內(nèi)梁和外梁受力不均在曲線梁橋中,由于存在較大的扭矩,因而通常會使外梁超載、內(nèi)梁卸載,尤其在寬橋情況下內(nèi)、外梁的差異更大。由于內(nèi)、外梁的支點反力有時相差很大,當(dāng)活載偏置時,內(nèi)梁甚至可能產(chǎn)生負(fù)反力,這時如果支座不能承受拉力,就會出現(xiàn)梁體與支座的脫離,即“支座脫空”現(xiàn)象。
3.3墩臺受力復(fù)雜由于內(nèi)外側(cè)支座反力相差較大,使各墩柱所受垂直力出現(xiàn)較大差異。彎橋下部結(jié)構(gòu)墩頂水平力,除了與直橋一樣有制動力、溫度變化引起的內(nèi)力、地震力等外,還存在離心力和預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的徑向力。
故在曲線梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中,應(yīng)對其進行全面的整體的空間受力計算分析,只采用橫向分布等簡化計算方法,不能滿足設(shè)計要求。必須對其在承受縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)和翹曲作用下,結(jié)合自重、預(yù)應(yīng)力和汽車活載等荷載進行詳細(xì)的受力分析,充分考慮其結(jié)構(gòu)的空間受力特點才能得到安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
4、彎梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計
直梁橋受“彎、剪”作用,而彎梁橋處于“彎、剪、扭”的復(fù)合受力狀態(tài),故上、下部結(jié)構(gòu)必須構(gòu)成有利于抵抗“彎、剪、扭”的措施。
4.1彎梁橋的彎扭剛度比對結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)有著直接的關(guān)系:彎扭剛度比越大,由曲率因素而導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)彎形越大,因此,對于彎梁橋而言在滿足豎向變形的前提下,應(yīng)盡可能減小抗彎剛度、增大抗扭剛度。所以在曲線梁橋中,宜選用低高度梁和抗扭慣矩較大的箱形截面。
4.2在彎梁橋截面設(shè)計時,要在橋跨范圍內(nèi)設(shè)置一些橫隔板,以加強橫橋向剛度并保持全橋穩(wěn)定性。在截面發(fā)生較大變化的位置,要設(shè)漸變段過渡,減小應(yīng)力集中效應(yīng)。
4.3在進行配筋設(shè)計時要充分考慮扭矩效應(yīng),彎梁應(yīng)在腹板側(cè)面布置較多受力鋼筋,其截面上下緣鋼筋也比同等跨徑的直橋多,且應(yīng)配置較多的抗扭箍筋。
4.4城市立交橋中的彎箱梁橋中墩多布置成獨柱支承構(gòu)造。在獨柱式點鉸支承彎連續(xù)梁中,上部結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生的扭矩不能通過中間支承傳至基礎(chǔ),而只能通過曲梁兩端抗扭支承來傳遞,從而易造成曲梁產(chǎn)生過大扭矩。為減小彎梁橋梁體受扭對上、下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,可采用以下方法進行結(jié)構(gòu)受力平衡的調(diào)整:
4.4.1為減小此項扭矩的影響,比較有效的辦法是通過調(diào)整獨柱支承偏心值來改善主梁受力。
4.4.2通過預(yù)應(yīng)力筋的徑向偏心距來消除曲梁內(nèi)某些截面過大的扭矩,改善主梁的受力狀態(tài)也是一種行之有效的辦法。預(yù)應(yīng)力曲線梁往往產(chǎn)生向外偏轉(zhuǎn)的情況,這是由其結(jié)構(gòu)特點造成的。預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的扭矩分布和自重、恒載作用下的扭矩分布規(guī)律有著較大的區(qū)別,為調(diào)整扭矩分布,可在曲線梁軸線兩側(cè)采用不同的預(yù)應(yīng)力鋼束及錨下控制應(yīng)力,構(gòu)成預(yù)應(yīng)力束應(yīng)力的偏心,形成內(nèi)扭矩來調(diào)整曲線梁扭矩分布。
4.5下部支承方式的確定。曲線梁橋的不同支承方式,對其上、下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常大。對于彎梁橋,中間支承一般分為兩種類型:抗扭型支承(多支點或墩梁固結(jié))和單支點鉸支承。在曲線梁橋選擇支承方式時,可遵循以下原則:
4.5.1對于較寬的橋(橋?qū)払>12m)和曲線半徑較大(一般R>100m)的曲線梁橋,由于主梁扭轉(zhuǎn)作用較小,橋體寬要求主梁增加橫向穩(wěn)定性,故在中墩宜采用具有抗扭較強的多柱或多支座的支承方式,亦可采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式。
4.5.2對于較窄的橋(橋?qū)払≤12m)和曲線半徑較小(一般約R≤100m)的曲線梁橋,由于主梁扭轉(zhuǎn)作用的增加,尤其在預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力的作用下,主梁橫向扭矩和扭轉(zhuǎn)變形很大。由于橋窄因此宜采用獨柱墩,但在選用支承結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)視墩柱高度不同而確定。較高的中墩可采用墩柱與梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)支承形式。較低的中墩可采用具有較弱抗扭能力的單點支承的方式。這樣可有效降低墩柱的彎短和減小主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形。但這兩種交承方式都需對橫向支座偏心進行調(diào)整。
4.5.3墩柱截面的合理選用。當(dāng)采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式時就必須注意墩柱的彎矩變化。在主梁的扭轉(zhuǎn)變形過大同時墩柱彎矩也很大(一般墩柱較矮)的情況下,宜采用矩形截面墩柱。因為矩形截面沿主梁縱向抗彎剛度較小,而沿主梁橫向抗彎剛度較大,這樣既減小了墩柱的配筋又降低了主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形,更適合其受力特點。
4.6彎梁橋設(shè)計中需要注意的其它問題:
4.6.1所有中墩支座,盡可能橫橋向位移固定,可采用盆式或普通板式橡膠支座
4.6.2當(dāng)橋長較大(如大于100m),梁端支座應(yīng)能順橋向自由滑動、橫橋向位移固定,可采用盆式橡膠支座,或附加了橫橋向位移固定裝置的四氟板橡膠支座;此外,梁端間隙和伸縮縫構(gòu)造,應(yīng)保證在最大升溫條件下,梁能夠不受阻礙地自由伸縮變形;當(dāng)橋長較小時,梁端支座可以采用普通板式橡膠支座。“梁端設(shè)普通板式橡膠支座、所有中墩設(shè)橫橋向自由滑動的盆式支座”,對曲線梁橋是危險的,應(yīng)絕對避免。
4.6.3當(dāng)曲線梁橋比較寬、各墩也較寬時,應(yīng)注意溫度變化時由于曲線梁水平彎曲變形在墩頂產(chǎn)生的橫橋向水平作用力可能會比較大,尤其是當(dāng)所有中墩支座均為橫橋向位移固定時。