总第222期交 通 科 技Ser ial No.222 2007年第3期T r anspor tation Science&T echno log y N o.3June.2007收稿日期:2007 01 23曲线梁桥平面位移机理分析刘柱国(河北省交通厅公路管理局 石家庄 050051)摘 要 分析了曲线梁桥平面位移的机理,探讨了影响平面位移的主要因素,并结合工程实例对影响因素进行了验证。
关键词 曲线梁桥 平面位移 温度效应 收缩 徐变连续曲线梁桥在使用过程中,由于预加力、温度效应、车辆行驶或一些其他影响因素的作用,会产生侧向的变位。
由于曲线梁桥的结构特点、支承形式等原因,当外荷载等影响因素消失后,弯梁发生的侧向变位并不能够完全恢复,会产生部分不可恢复的残余位移,在长期反复作用下,侧向的残余位移就会累积,产生较大的位移,即曲线梁桥的侧向位移(或称 爬移)。
曲线梁桥的侧向位移问题轻则导致梁段伸缩缝的剪切破坏,影响其使用寿命;严重的则会出现支承结构破坏,梁体滑移和翻转。
桥梁在使用过程中出现该类问题,不仅影响交通,而且加固起来非常困难,造成巨大的经济损失。
1 影响曲线梁桥平面位移的因素1.1 支承方式支承方式是影响曲线梁桥平面位移的内在因素,支承方式直接影响全桥的内力分布,合理的支承方式可以承受自重和活载、偏载等因素所产生的组合扭矩作用,限制结构的平面位移。
曲线梁桥可以采用多种支承布置形式。
理论上讲,连续曲线梁桥的所有支承均可采用点铰支承,但在荷载作用下梁端将产生扭转变形,从而在梁端与桥台背墙间产生上下相对变形,这会导致伸缩缝破坏。
一般在两端的桥台设置能抵抗外扭矩的抗扭支座,中间支承可以采用抗扭支承,或点铰支承,或者交替使用两种支承形式,从而限制梁端的扭转变形,以保证伸缩缝正常工作[1 2]。
主梁在各种荷载作用下,除了梁端扭转变形外,在支座位置处还会产生纵桥向与横桥向的变位,为了保证结构的正常工作,总希望沿着 切线方向移动。
为此,除了在桥台处设置抗扭支座外,还必须采取一些 限制措施,一般可以在活动端的定向切线支座上安置 限制位移方向的措施,以保证桥头的位移能符合 切线方向的运动要求,但在设计计算时,必须计及这个 强制力的影响。
根据具体桥型,充分考虑各种因素,设置合理的支承方式,就可以使曲线梁桥的平面变形顺着目标方向进行,阻止非正常变位的发生。
1.2 温度和混凝土收缩的影响温度变化和混凝土收缩引起在平面内的位移属于弧段膨胀或收缩性质的位移[1],涉及到弧段的半径变化但圆心角不变,即r0!r,而 0= (见图1)。
图1 曲线梁桥平面内变形在此情况下:r=r0(1- ), =∀!t+ cs∀3=2(r0-r)sin 02式中: cs为混凝土的收缩应变。
因此温度变化和混凝土收缩时,曲线梁桥会发生两个方向的位移分量:#沿桥轴线方向的纵向分量;∃沿桥轴线垂直方向的分量(见图2)。
温度变化和收缩在各种活动支座处将引起纵桥向与横桥向的变形,横桥向的变形不仅给伸缩缝的活动带来困难,而且产生了曲线梁桥的支座受力、布置以及一些侧向问题。
a)无约束的情况 b)有约束的情况图2 曲线梁变形示意图1.3 徐变影响[1]混凝土徐变与预应力引起的位移只涉及到力作用方向(切向)的位移,即r 0=r ,而 0! (见图3),由此得知:= 0(1- ), = (p )∀3=r 0( 0- )式中: (p )为预应力和混凝土徐变引起的应变。
混凝土徐变引起的位移是沿着结构切线方向的,与桥梁支座与伸缩缝的设置是不矛盾的。
图3 曲线梁桥平面内变形1.4 预应力影响曲线梁桥的预应力钢束不仅有平面弯曲同时还有沿梁高度方向的竖向弯曲,这样预应力钢束径向力的作用点总是沿梁高度方向在变化。
当其作用点位于主梁截面剪切中心以上或以下时,钢束径向力就会对主梁产生扭转作用(见图4),位于截面剪切中心以上的钢束径向力产生的扭矩方向与位于截面剪切中心以下的钢束径向力产生的扭矩方向是相反的。
两者的扭矩之和构成了预应力钢束对曲线梁的整体扭转作用。
当M T 上大于M T 下时,主梁就产生向圆心方向的扭转,反之主梁则产生背离圆心方向的扭转。
这样预应力钢束就会引起曲线梁向内偏转或向外偏转的情况。
预应力混凝土曲线梁往往产生向外偏转的情况,这是其结构特点造成的。
任何桥梁的主梁都是以受弯为主的构件,所以预应力钢束应首先满足纵向弯矩的受力要求。
对于连续梁,正弯矩区段的长度远大于负弯矩区段的长度,所以相应的预应力钢束重心位于主梁底部的长度远大于位于主梁顶部的长度。
这使得预应力径向力产生的M T 上大于M T 下,所以预应力产生的总扭矩是向曲线外侧翻转的,相应地弯箱梁内侧支座将会产生拉反力,外侧支座成压反力状态[3]。
图4 预应力钢束径向力对混凝土的作用力由2.3可知预应力引起的位移是沿着结构切线方向的,与桥梁支座与伸缩缝的设置是不矛盾的。
但预应力产生的总扭矩是向曲线外侧翻转的,相应地弯箱梁内侧支座将会产生拉反力,外侧支座成压反力状态。
这对曲线梁桥的平面变位是不利的,在与其他荷载共同作用时,将加速桥梁的横向变位。
1.5 车辆荷载曲线梁桥在汽车活载的离心力和制动力长期反复作用下容易产生主梁向曲线外侧及汽车制动力方向的水平错位(见图5),一般匝道桥都是单向行驶,所以这种作用力总是朝着固定方向。
当主梁设置纵坡时,主梁易产生向下的滑动,这种滑动与汽车制动力一致时就更加剧了主梁的水平错位。
车辆荷载是影响曲线梁桥平面变位的又一主要因素[4]。
图5 活载对曲线梁平面滑移的影响2 工程实例2.1 工程概况旧城胜利大桥位于津保公路,由31%20m 普通钢筋混凝土现浇箱梁和1%14.1m 钢筋混凝土空心简支板构成,其中31%20m 普通混凝土现浇箱梁分为三联,第一联为11%20m,第二、三联为10%20m,本桥平面线形为R =1000m 曲线+缓和曲线+直线(见图6),该桥设计荷载为汽车 20级,挂车 100。
上部结构由现浇单室普通混凝土连续箱梁和钢筋混凝土空心简支板构成,桥面横坡由混凝土铺装层调整。
改桥第一联位于R =1000m 的圆曲线上,在运营过程中,第一联主梁发生严重变位,从第7212007年第3期 刘柱国:曲线梁桥平面位移机理分析号墩(固结墩)开始主梁都有不同程度变位,变位趋势为统一向圆曲线外侧平移,其中第11号墩(过渡墩)处主梁变位最大,达18cm,封闭交通后,变位有所恢复,现在变位为12cm 。
图6 第一联结构示意图(单位:cm)2.2 结构变位计算2.2.1 计算模型对该桥采用空间有限元程序进行计算,建立板单元模型,板单元模型中共2545个节点,2512个单元。
计算过程中考虑以下荷载,按规范要求进行组合:#自重;∃二期恒载;&收缩徐变;∋车辆偏心荷载:汽车 20级,挂车 100级;(温度影响:整体升温30),降温20),上、下缘温差10);∗离心力作用。
2.2.2 计算结果分析经过计算,在温度荷载、离心力等荷载作用下,桥梁发生扭转爬移。
其中8~11号墩(双向活动支座)变位计算结果见表1所列。
表1 各荷载及荷载组合下主梁变位数值对比表cm 项目8号墩9号墩10号墩11号墩自重与二期恒载0.000.000.000.030.07汽车偏载效应0.240.370.510.640.64升温荷载 1.56 3.08 4.71 6.23 6.35温度梯度 0.240.440.720.910.90徐变 0.80 1.67 2.53 3.20 2.80收缩 -0.30-0.60-1.00-1.00-2.10离心力 0.160.320.500.680.68最不利荷载组合 2.36 4.677.109.509.61 (1)由表1可以看出,在最不利荷载组合下,主梁在8~11号桥墩处横向变位分别为2.36、4.67、7.10、9.50、9.61cm,其中11号桥墩处主梁最大变位为9.61cm,这与实际情况中梁体自8号桥墩开始统一向曲线外侧爬移一致。
(2)在所有荷载中,温度荷载、车辆荷载、收缩徐变构成了影响主梁变位的主要因素,其中温度荷载对主梁变位影响最大。
3 结论(1)曲线梁桥会在平面内出现横桥向位移,这种位移是由于在荷载的反复作用下,主梁的横向变位不能够完全、及时地恢复,随着时间的延长而发生累积。
(2)梁体在外界因素的影响下,发生横向向外侧的扭转变形,梁体的扭转变形又使得梁体的部分支座出现脱空,一旦支座脱空,梁体会失去抗扭约束,继而扭转变形加剧。
设置合理的支承方式是限制梁体平面位移的内在因素,也是最关键的因素。
(3)温度荷载、预应力、收缩徐变、汽车荷载(离心力和制动力)等是影响曲线梁桥平面位移的外在因素,在设计时必须充分考虑。
参考文献[1] 邵容光,夏 淦.混凝土弯梁桥[M] 北京:人民交通出版社,1994[2] 姚林森.曲线梁桥[M].北京:人民交通出版社,1989[3] 刘 华.预应力混凝土连续弯箱梁的侧向位移研究[D].南京:东南大学,2004.[4] 何维利.独柱支承的曲线梁桥设计[J].北京建筑工程学院学报,2001(10):23 28Plane Displacement Mechanism Analysis of Curve Beam BridgeL iu zhuguo(Ro ads M anagement Bureau of H ebei Pr ovincial Communicat ions Depar tment,H ebei shijiazhuang,050051,China)Abstract:T his article analyzes the plane displacement mechanism of curv e beam bridge.T he prim ary facto r w hich affects the plane displacem ent is analyzed,and takes an example of a real project to con firm the influence factor.T he conclusion can pr ovide reference for later eng ineering design.Key words:curv e beam bridge;plane displacement;temperatur e effects;contraction;creep22刘柱国:曲线梁桥平面位移机理分析 2007年第3期。