摘要: 預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋始終處于彎扭耦合作用的狀況下, 扭矩過大時(shí)會使曲線箱梁橋產(chǎn)生內(nèi)側(cè)支座脫空、梁體外移、翻轉(zhuǎn)、裂縫和崩脫等病害, 嚴(yán)重影響曲線箱梁橋的正常運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)支座布置型式, 可以使曲線箱梁中的扭矩分布合理, 具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞: 預(yù)應(yīng)力混凝土; 曲線箱梁橋; 支座; 布置; 探討
中圖分類號: U448.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1002- 4786( 2006) 12- 0026- 02
1 前言
因預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁具有較大的抗扭剛度、較好的適應(yīng)地形地物、線條平順流暢等優(yōu)點(diǎn),在公路立交及城市高架橋的曲線橋上得到了廣泛的應(yīng)用。但曲線箱梁作為一種空間結(jié)構(gòu), 在荷載、預(yù)應(yīng)力、溫度徐變中等產(chǎn)生的彎矩、扭矩、剪力、軸力及二次矩等作用下受力十分復(fù)雜, 很難直接計(jì)算, 若設(shè)計(jì)考慮不周, 會發(fā)生支座脫空、移位、崩脫等事故, 導(dǎo)致在工程施工結(jié)束后不久就需要進(jìn)行加固維修, 造成不良的社會影響。本文將首先簡要分析預(yù)應(yīng)力鋼束對混凝土曲線箱梁產(chǎn)生扭矩的原因, 然后介紹幾種常見的支座布置方案來改善扭矩的分布, 使受力更加合理, 以供工程技術(shù)人員參考。
2 預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁中的扭矩
2.1 產(chǎn)生原理
眾所周知, 曲線梁與直線梁的主要區(qū)別在于曲線梁具有如下特征: a) 外緣彎曲應(yīng)力大于內(nèi)緣彎曲應(yīng)力; b) 外緣撓度大于內(nèi)緣撓度, 且隨著曲率半徑的減小, 撓度差不斷增大; c) 無論采用何種支座布置方案, 曲線梁內(nèi)總存在扭矩; d) 各主梁恒載內(nèi)力不均勻, 因此, 曲線梁總是處于彎、扭耦合的受力狀態(tài)下。
對于非預(yù)應(yīng)力曲線箱梁, 恒載產(chǎn)生的扭矩主要由內(nèi)外緣自重差異引起; 對于預(yù)應(yīng)力曲線箱梁, 除了內(nèi)外緣自重差異產(chǎn)生扭矩外, 預(yù)應(yīng)力鋼束在空間方向的分布對于剪心( 即扭轉(zhuǎn)中心) 會產(chǎn)生很大的力矩, 且為主要扭矩( 參見圖1) 。
圖1為工程中常見的曲線箱梁跨中、跨端截面預(yù)應(yīng)力鋼束的分布情況。對于具體的曲線箱梁, 鋼束在箱梁的腹板中有若干個(gè)上彎曲和下彎曲, 同時(shí)在水平方向還有一個(gè)大彎曲。底板內(nèi)的鋼束主要為水平面內(nèi)的彎曲?？紤]到圖1( a) 中腹板內(nèi)鋼束向上的豎直分力與剪心的力矩基本平衡, 而向彎曲中心方向的分力對梁體有一個(gè)逆時(shí)針方向的扭矩, 圖1( b) 中的底板鋼束產(chǎn)生逆時(shí)針方向的扭矩, 腹板中鋼束水平分力產(chǎn)生了順時(shí)針方向的扭矩, 因此在支座附近由鋼束產(chǎn)生的扭矩要遠(yuǎn)小于跨中部分的扭矩。
2.2 工程實(shí)例
某預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁, 梁的截面形式為單箱單室的箱體結(jié)構(gòu), 箱梁高1.6m, 頂板寬9m, 底板寬4.5m, 跨徑布置為4×35m, 曲率半徑為130m的鋼束布置與圖1相同, 跨中支座設(shè)偏心e=0.15m, 則扭矩可達(dá)17 000kN·m?？紤]到混凝土收縮、徐變及鋼絞線松弛的影響, 實(shí)際扭矩也要達(dá)15 000kN·m左右, 如此大的扭矩存在于全聯(lián)梁內(nèi), 若不在支座布置中采取必要的措施, 則必然會引起邊墩內(nèi)側(cè)支座脫空、中墩支座橡膠墊嚴(yán)重偏心受壓擠破等事故。
3 曲線箱梁橋支座布置型式
對于簡支曲梁, 漢斯(Heims) 在文獻(xiàn)[2]中給出了在均布豎向荷載及均勻扭矩作用下的閉合解; 文獻(xiàn)[3]介紹了連續(xù)曲線梁的雙三力矩求解方法。然而由于計(jì)算繁瑣, 目前幾乎全部設(shè)計(jì)均通過電算來求解各截面的彎矩、扭矩、剪力、軸力二次矩及各種變形。使用預(yù)應(yīng)力束主要用來抵抗彎矩, 使之工作時(shí)混凝土不出現(xiàn)受拉區(qū)。但對曲線箱梁橋預(yù)應(yīng)力束的作用又使截面內(nèi)增加了扭矩, 若不能有效處理扭矩的分布, 不但會出現(xiàn)前面說的各項(xiàng)事故, 還會在彎扭耦合作用下出現(xiàn)較大的受拉區(qū)而使混凝土開裂。為了使曲線箱梁中的扭矩分布合理, 通常通過調(diào)節(jié)支座布置型式來實(shí)現(xiàn)( 參見圖2) 。
圖2給出了幾種多跨平面曲線箱梁橋支座的布置型式。圖2( a) 梁的兩端為抗扭支座( 雙支座) , 曲線箱梁聯(lián)內(nèi)安置幾個(gè)鉸支座; 圖2( b) 在曲線箱梁中布設(shè)一抗扭支座, 可以是雙支座, 也可以是固結(jié)
墩; 圖2( c) 所示聯(lián)內(nèi)跨中支座全為外側(cè)偏心支座;圖2( d) 既有外側(cè)偏心支座, 也有內(nèi)側(cè)偏心支座。
在曲線箱梁橋中, 圖2( a) 的布置已不多見, 即使對小跨徑小半徑的非預(yù)應(yīng)力曲線梁, 一般也使用圖2( c) 的布置方案。通常預(yù)應(yīng)力鋼束引起的扭矩隨彎曲半徑的減小而加大, 總的扭矩隨跨長而增大,因此, 圖2( c) 中跨中的偏心支座, 在與偏心距的設(shè)置上要分別考慮以下幾方面的影響:
a) 橫向恒載不均勻的影響如圖3( a) 所示, 可通過設(shè)置中墩偏心距eg來解決; 對于彎曲半徑大于130m的曲線梁, 這個(gè)偏心距不大, 一般在0.1m～0.2m左右;
b) 預(yù)應(yīng)力束形成扭矩的影響這部分扭矩的影響相當(dāng)大, 有時(shí)在半徑為130m、聯(lián)跨長140m的四跨曲線箱梁中可達(dá)20 000kN·m以上, 若用增加跨中支座偏心距的辦法, 則圖3( a) ( b) 跨中支座的總偏心距為e=eg+et, 式中, et為抵抗預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩; 若跨中支座按圖2( c) 的方案布置, 偏心距的加大可使端部抗扭的雙支座中的反力大致相等( 或外側(cè)支座反力稍大些) ;
c) 曲線梁從施工完成到使用后的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)均受到徐變、溫度以及不均勻扭矩的影響, 支座總有滑移, 因此每聯(lián)曲線梁必須設(shè)有一個(gè)固定支座, 固定支座一般設(shè)在跨中, 有時(shí)也可特意在跨中設(shè)固結(jié)墩;
d) 若梁的線剛度較低, 則在內(nèi)側(cè)邊緣行駛車輛的活載作用下會使內(nèi)側(cè)受拉區(qū)產(chǎn)生較大的應(yīng)力及撓度( 或轉(zhuǎn)角) , 此時(shí)可采用圖2( d) 的布置方案;
e) 對于圖2( c) 的支座布置, 梁內(nèi)的扭距使梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動, 與直線箱梁不同, 曲線梁中這種扭轉(zhuǎn)屬于約束扭轉(zhuǎn), 因此梁體內(nèi)既有剪力滯效應(yīng), 又有翹曲與畸變應(yīng)力, 當(dāng)半徑R足夠大時(shí)這種影響不明顯, 從而使扭轉(zhuǎn)有些類似于自由扭轉(zhuǎn), 截面內(nèi)只有剪力流;
f) 對曲率半徑R大于130m、跨徑小于30m、頂板寬9m的匝道橋, 可采取圖2( c) 的支座布置方案,但跨徑大于35m時(shí)若仍用圖2( c) 的方案, 應(yīng)在聯(lián)中采用一個(gè)固結(jié)墩, 或者在全部跨中支座采用圖3( b)所示的偏置雙支座方案;
g) 對曲線箱梁而言, 圖3( b) 所示的方案是既合理又保險(xiǎn)的方案, 但這樣的橋墩會發(fā)生由于外支座反力過大導(dǎo)致墩頂橫梁開裂的事故, 為防止這類事故的發(fā)生, 可通過在墩頂橫梁內(nèi)布設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束或者加大墩頂?shù)牟冀蠲芏葋肀苊狻?/P>
4 結(jié)論
通過以上分析, 我們可以得出以下結(jié)論:
a) 曲線箱梁橋始終處于彎扭耦合的作用下, 受力十分復(fù)雜, 要認(rèn)真分析;
b) 恒載及預(yù)應(yīng)力鋼束都會對曲線箱梁產(chǎn)生扭矩;
c) 曲線梁橋曲率半徑越小、每一聯(lián)越長, 其扭矩越大;
d) 為避免支座滑移, 每聯(lián)必須設(shè)一固定支座,一般設(shè)在跨中;
e) 通過調(diào)整曲線箱梁橋的支座型式, 可以調(diào)整曲線箱梁內(nèi)的扭矩分布;
f) 支座布置型式的選擇必須建立在正確分析扭矩的基礎(chǔ)上, 不可生搬硬套, 要進(jìn)行全面的分析。
參考文獻(xiàn)
[1] 邵容光, 夏淦. 混凝土彎梁橋[M]. 北京: 人民交通出版社, 1994.
[2] C.P漢斯. 結(jié)構(gòu)桿件的彎曲與扭轉(zhuǎn)[M]. 北京: 人民交通出版社, 1981.
[3] 劉效堯, 趙立成. 梁橋( 下冊) [M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.
