曲線連續剛構橋梁施工過程分析

錢 立

(中國市政工程西南設計研究總院,四川成都 610081)

 

摘  要:文章利用空間有限元分析了曲線連續剛構橋在施工過程中的內力和變形,對平面曲線上修建連續剛構橋和連續梁橋提供了若干建議,供實際設計中參考。

關鍵詞:平面曲線;連續剛構橋;內力;變形

中圖分類號: U44      文獻標識碼:A

   1 簡介

       本文就曲線連續剛構(梁)橋的空間受力情況及其主要的影響因數進行了分析,并提出了一些具體的設計建議。

       在計算分析中,本文以跨徑為45m+75m+45m的曲線連續剛構橋為模型,結構基本數據如下:箱梁頂板寬12m,懸臂2m。頂板厚度25cm;頂板厚度30-60cm,按直線變化;腹板厚度50cm。箱梁高度從根部處的4.2m變化到跨中的1.8m,底板高度按R=195.002m的圓曲線變化。為簡化起見,在建模中未考慮梗掖部分的影響,截面形式見圖1。

 

 

圖1 主梁截面示意圖/cm

       建模采用四節點殼單元。單元可以承受平面荷載和法向荷載,每個單元有4個節點,每個節點具有6個自由度,單元可以定義為變厚度。為了得到較好的分析結果,在進行單元劃分時,盡量使單元尺寸較接近,全橋主梁截面共劃分為900個單元。

 建模分析時,橋梁曲率半徑分別按200m、300m、400m、500m分析比較。同時墩高分別按為55m、27.5m和不考慮墩高的影響進行比較。

 為了便于對結果進行比較,本文選取了箱梁根部截面作為應力計算截面,施工過程的最大懸臂端部截面作為位移計算截面。

 

2 影響撓度的主要因素

 

(1)曲率的影響

曲線連續剛構橋在懸臂施工時,由于彎扭耦合效應,截面將發生扭轉變形,過大的扭轉角造成箱梁截面內、外緣的撓度差值較大,不容忽視。施工分析中取墩最大懸臂的情況。圖2到圖3所示為最大懸臂狀態及二期恒載階段曲率半徑對梁體變形的影響(墩高為55m )

從圖2中可以看出,在恒載作用下,曲線橋最大懸臂狀態的撓度比同跨徑直線橋大,箱梁向內側扭轉。當曲率半徑減小時,箱梁的扭轉角增大,截面內外緣的撓度差值明顯加大。當曲率半徑為500m時,截面內外側的撓度差為0.21cm;曲率半徑為200m時,撓度差為0.52cm

 

 

圖3 二期恒載作用下最大懸臂處底板截面位移

表1列出了各種半徑的曲線連續剛構橋在邊跨合攏階段、中跨合攏階段相應截面產生的撓度,這些階段的撓度均遠小于懸臂狀態產生的撓度,曲線橋內外側撓度差較小。

表1 邊跨和中跨合攏階段最大懸臂處底板截面位移/mm

曲率半徑      /m

邊跨合攏階段

 

中跨合攏階段

底板外緣側

底板內緣側

 

底板外緣側

底板內緣側

R=200

5.56

5.44

 

-4.85

-4.75

R=300

5.46

5.39

 

-4.79

-4.72

R=400

5.43

5.37

 

-4.77

-4.72

R=500

5.41

5.36

 

-4.75

-4.72

直線橋

5.36

5.36

 

-4.72

-4.72

在邊跨合攏階段自重作用下,中跨最大懸臂處截面產生向上位移,箱梁梁體在中跨仍然向內扭轉;梁體在邊跨向外扭轉。在中跨合攏時,箱梁梁體發生向外弧側的扭轉,但截面內外緣的撓度差較小。由圖3所示,在二期恒載作用下,曲線橋向外扭轉,與懸臂施工時相反,但扭轉角很小。

綜上所述,懸臂施工的曲線連續剛構橋(梁)橋,在其自重作用下的變形主要發生在懸臂施工階段,邊跨合攏階段、中跨合攏階段和二期恒載作用下變形比較小,且其內外弧側撓度差也比較小。另外,在合攏之前,箱梁存在向內弧側扭轉的變形,而一旦合攏后及二期恒載作用下則發生向外弧側扭轉,是有利于減小箱梁扭轉變形的。

(2)墩高的影響

在連續剛構橋中橋墩一般采用雙薄壁柔性墩的形式。雙薄壁墩雖然減小了墩在順橋向的剛度,但同時也相應減小了橫橋向的剛度。對于直線橋,施工過程中箱梁沒有扭矩產生,橋墩橫橋向剛度的減小對主梁變形影響較小。但曲線橋梁在自重作用下將發生扭轉。從而使橋墩產生橫橋向的彎曲。所以,橋墩橫橋向剛度的減小將會加大梁體的扭轉變形。

表2列出了曲率半徑為200m、300m、400m和500m時,上述5種情況箱梁內外弧的撓度差。由表2可見,一方面,隨曲率半徑的增大,變形值變小,另一方面當橋墩的剛度增大時,箱梁內外弧的撓度差也可以得到改善,當采用變截面后提高了橋墩的橫向剛度,梁體內外側的撓度差減小,梁體的扭轉程度得到控制。

表2 不同橋墩情況下最大懸臂截面變形值/cm

橋墩情況

曲率半徑

R=200

R=300

R=400

R=500

橋墩情況1

底板外緣

-7.93

-7.82

-7.79

-7.78

底板內緣

-8.31

-8.08

-7.99

-7.94

橋墩情況2

底板外緣

-8.10

-7.98

-7.95

-7.95

底板內緣

-8.62

-8.33

-8.22

-8.16

橋墩情況3

底板外緣

-8.59

-8.45

-8.42

-8.41

底板內緣

-9.34

-8.96

-8.80

-8.72

橋墩情況4

底板外緣

-8.06

-7.95

-7.92

-7.91

底板內緣

-8.47

-8.23

-8.13

-8.08

橋墩情況5

底板外緣

-7.76

-7.66

-7.64

-7.63

底板內緣

-7.99

-7.82

-7.76

-7.72

 

3 施工過程截面應力的變化情況

 

在施工過程中,懸臂根部截面為最不利受力截面,所以選擇懸臂根部截面進行比較。

表3列出了最大懸臂狀態時,懸臂根部處截面頂板的正應力變化。邊跨合攏段和中跨合攏段對墩頂截面產生的應力值很小,本文中未列出。為尋求規律,以R=200m、R=300m、R=400m、R=500m和直線橋情況建立計算模型,墩高為55m。從表3可知,懸臂根部截面頂板承受負彎矩和扭矩,頂板截面正應力為拉應力,其內弧一側的拉應力在懸臂根部截面大于外弧一側的應力值。隨著向懸臂端部延伸,截面的扭矩逐漸減小。截面內外弧的應力差值也隨之減小。同時隨著曲率半徑的減小,截面頂板正應力的不均勻程度逐漸加大。在懸臂根部處正應力差值由0.62MPa增大到1.55MPa。這表明了隨著曲率半徑的減小,曲線橋的彎扭耦合效應增大。

表3 最大懸臂狀態時根部截面頂板正應力值/MPa

施工階段

位置

 

曲率半徑

 

200m

300m

400m

500m

直線橋

最大懸臂階段

外緣

 

-7.07

-7.34

-7.47

-7.55

-7.86

內緣

 

-8.62

-8.37

-8.25

-8.17

-7.86

二期恒載作用

外緣

 

-1.66

-1.67

-1.67

-1.67

-1.67

內緣

 

-1.69

-1.68

-1.68

-1.68

-1.67

 

從表4可知,在自重作用下,懸臂根部截面底板正應力為壓應力。與頂板正應力同樣是內弧側的正應力大于外弧側的應力值。同樣隨著曲率半徑的減小,截面底板正應力的不均勻程度也逐漸加大。在懸臂根部處正應力差值由1.58MPa增大到3.95MPa。其不均勻程度較頂板更為嚴重。曲線橋的彎扭耦合效應對底板應力的影響更大。

表4 最大懸臂狀態時根部截面底板正應力值/MPa

施工階段

位置

 

曲率半徑

 

200m

300m

400m

500m

直線橋

最大懸臂階段

外緣

 

5.74

6.40

6.73

6.92

7.71

內緣

 

9.69

9.03

8.70

8.50

7.71

二期恒載作用

外緣

 

1.58

1.57

1.57

1.57

1.55

內緣

 

1.54

1.54

1.54

1.55

1.55

在二期恒載作用下,根部截面的應力分布比較均勻與直線橋相差微小。主要是應為二期恒載較主梁自重小,且成橋后,主梁的抗扭剛度已經增大。

 

結語

 

曲線連續剛構橋在施工過程中的變形控制是關鍵,懸臂階段梁體變形占了梁體自重變形的絕大部分。二期恒載作用下,梁體的變形比較小,且與直線橋相差不大。由于施工過程中梁體的變形既有撓度又有扭轉,且具有不可恢復性,所以控制施工過程中的變形,特別是懸臂施工階段的變形,對確保成橋線性至關重要。在設計和施工,需要考慮設置撓度和扭轉角預拱度。成橋后,梁體的抗扭剛度較懸臂施工階段大,曲率對橋梁結構的影響不如懸臂階段明顯。

從前面的分析中可以看出影響梁體的扭轉變形的主要因數是曲率半徑的大小和墩的橫向剛度。曲線連續剛構橋在合攏的過程中扭轉將導致在合攏時梁體空間位置的偏差,若在施工過程中對多個懸臂T構的扭轉預測不夠,將難以保證梁體在容許誤差范圍內合攏,不但增加了施工的難度,而且將影響成橋線性。

與一般的曲線梁橋不同,懸臂施工過程中的曲梁梁體在自重作用下呈向內側扭轉,而合攏以后則變成向外側扭轉,所以在合攏時需要預留一定的向內側扭轉的變形,以抵消合攏在二期恒載作用下的梁體向外側的扭轉變形。

考慮到墩橫向剛度對曲線橋扭轉變形的影響,在設計時應考慮采用較小的墩高,或在構造上加大橋墩的橫向剛度,如采用變截面,以保證在橫向剛度增加的同時,不過大影響縱向剛度的措施,也是一種可行的辦法。

參考文獻

[1]范立礎.預應力混凝土連續梁橋[M].北京:人民交通出版社,1988.

[2]范偉,石學飛.大跨彎坡高剛架橋施工控制分析[J].山東建筑工程學報,2002(01):36-41.

 

上一篇:淺論氣體壓強對金剛石薄膜質量的影響
下一篇:無熟料鋼渣膠凝體系制備礦山充填料的流動性能研究
看今天福彩3d黑圣手