文章编号:0451-0712(2003)08-0095-05 中图分类号:U4481213 文献标识码:连续分叉曲线箱梁桥的计算分析与设计探讨刘 钊1,王 斌2,孟少平1,纪 诚2,张宇峰1(1.东南大学 南京市 210096;2.南京市市政设计研究院 南京市 210008) 摘 要:南京新庄立交桥是一座以多层、多跨以及分叉连续为特色的预应力混凝土曲线梁结构。
在讨论曲线箱梁基本受力特征的基础上,研究了分叉连续曲线箱梁桥的分析方法,并对预应力混凝土曲线箱梁桥设计中的若干问题进行了探讨。
关键词:预应力混凝土曲线梁;分析;设计1 工程概况南京市新庄立交桥位于五路交叉口上,为4层部分互通式定向立交。
为展示现代化城市立体交通的设计理念,保证交通顺畅,本工程在立交的平面布置上尽量采用曲线展线布置,在结构设计上,采用独立圆柱墩、多跨预应力连续曲线梁,在主线和匝道的分叉处,采用匝道主线连续的分叉式多跨预应力混凝土连续曲线箱梁,分叉处仅设置独柱墩。
新庄立交桥上部结构由二、三、四层主线和匝道桥组成,除E匝道外,上部结构均采用预应力混凝土等截面连续箱梁。
全桥共19联,每联3～5跨不等,跨径31～42m,梁高均为1.8m,箱梁最小跨高比达到12313。
箱梁为50号混凝土,预应力束采用<j15.24高强低松弛钢绞线,锚具为XY M15-7夹片式群锚和KBM15-4扁锚,孔道采用预埋金属波纹管成型,箱梁施工采用满布支架整体现浇。
桥墩为圆柱墩,每联的中墩多为带柱帽或不带柱帽的独柱墩,支座均采用盆式橡胶支座,桩基除个别墩采用<550的管桩外,其余均为大直径人工挖孔桩。
收稿日期:2003-02-13D esign Su mmary of M a i n Girder of X i aoguang L ongH ighway Br idge i n Guiyang C ityXU Zhan-j un1,SH EN G X ing-wang1,L IU Zh i-j un2(1.Institute of C ivil and A rch itecture Engineering,Central South U niversity,Changsha410075,Ch ina;2.Guiyang D epartm ent of Second D esign Institute of R ail w ays Guiyang550002,Ch ina)Abstract:X iaoguang Ex tra2long B ridge on h ighw ay su rrounding the cen ter of Gu iyang C ity is a p re2 stressed concrete con tinuou s rigid fram e b ridge w ith m ain sp an s(69+125+160+160+112)m,and its h ighest p ier reaches100m.It has p articu lar featu res such as long un it,long sp an,h igh p iers,great sp an rati o of side2to2cen ter and asymm etric m ain sp an s.In th is p ap er,general arrangem en t and structu re,con2 structi on schem e,stress and strain of m ain sp an w hen no load is on as w ell as the structu ral analysis of con j o in t p art w ith sp atial fin ite elem en t m ethod are given.T he m ain po in ts to be no ticed in the p rocess of design and the m easu res adop ted are in troduced.In o rder to p reven t b ig disp lacem en t from asymm etry,a distingu ished con structi on techn ique w ith w h ich a jack ing fo rce is loaded on the m iddle sp an befo re clo su re is p resen ted.Key words:con tinuou s rigid fram e;h igh p ier,design po in t;clo su re by increm en tal launch ing 公路 2003年8月 第8期(下) H IGHW A Y A ug12003 N o18 2 曲线箱梁的基本受力特征曲线箱梁桥是空间结构,由于主梁的平面弯曲使得支座的支承点不在同一直线上,在荷载及预应力作用下将同时产生“弯-扭”耦合内力和“弯-扭”耦合变形,从而造成曲线梁的受力状态与直桥有很大的差别,构成曲线梁桥基本的受力特征。
影响线分析表明,在相同跨径的情况下,曲线梁桥的截面内力(弯、剪、扭)比同跨径的直线梁桥要大。
研究表明圆心角、曲率半径、弧长、桥面宽以及弯扭刚度比等,是区分曲梁、直梁受力特征的主要因素[1]。
一般来说,圆心角越小,直、曲梁的差异越小,对一根单梁来说,当圆心角U o<22.5°～30°时,可以忽略由扭转作用对挠度的影响。
在加拿大安大略省公路桥梁设计规范中,综合考虑弧长(L)、桥面宽(B =2×b,b桥梁半宽)的影响,建议在L2bR<1.0时,认为直、曲梁的差异不大,可用直线梁桥计算结果代替曲梁。
表1为本桥F3联及D2联中曲线梁段的主要要素。
表1 曲线梁要素项 目圆心角U o(°)曲率半径Rm弧长Lm桥面宽BmE IkN・m2GJkN・m2L2bR E I GJF3联(F10～F8号墩间)28.1约12058.76127.43×1075.30×1074.81.40 D2联(D10～D7号墩间)8.1约60485.50121.16×1081.12×1082.01.04 由表1可见,F3联圆心角较大,且F3联及D2联的综合影响系数L2bR均大于1。
根据上述分析可知,本桥曲线梁的弯-扭耦合特征不应忽略,采用空间梁格法或有限单元法进行计算十分必要。
弯扭刚度比E I GJ对曲线梁的受力和变形状态有着直接的影响,弯扭刚度比越大,说明扭转刚度相对较小,这样由扭转造成的变形就越大,因此在选择曲梁截面时,在竖向变形满足的情况下,应尽量增大扭转刚度。
本桥选择低高度扁箱梁,使得弯、扭刚度比较接近,对结构的扭转变形有较好的抑制。
所谓弯-扭耦合变形,在计算曲线梁桥的竖向挠度时,可以理解成弯和扭的叠加,因此曲线段的外侧挠度要比内侧大;从本文以下梁格法或有限元分析结果中,都能看到这些特征。
但同时由于本桥采用的预应力扁箱梁抗扭刚度大,实际梁体的内外侧挠度差别不大。
当梁底横向放置2个支座时,外支座的反力要比内支座反力大。
3 曲线箱梁计算方法研究曲线箱梁的常用计算方法有曲线梁法(空间梁单元法)、梁格法、有限单元法(板壳元、三维实体元)等,这些方法只有通过计算机程序实现数值分析,才能应用于工程实际。
此外,还要注意各种方法的适应性。
用空间梁单元模拟箱梁全截面有其局限性,首先宽箱梁不满足计算图示的假定,其次该方法不能反映各腹板的受力差异,也得不到横梁内力。
因此,当箱梁较宽时,一般不采用空间梁元法。
梁格法要求等效梁格与曲线箱梁间应有恰当的等代关系,由于梁格法具有概念清晰、易于理解的特点,并且其内力计算结果可以直接用于按规范检算截面,因而得到普遍欢迎。
有限单元分析能较好地反映箱梁结构的整体刚度和变形协调性,计算精度较高,但计算单元往往很多,预应力处理起来复杂,一般用于复杂桥梁的设计复核。
3.1 应用梁格法的计算分析梁格分析法是用一个等效梁格来代替桥梁的上部结构。
所谓等效梁格即假定把上部结构中每一区域内的抗弯和抗扭刚度集中到最邻近的梁格内,纵向刚度集中到纵向构件内,横向刚度集中到横向构件内。
当桥梁上部结构和等效梁格承受相同的荷载时,它们的挠曲变形相等,且任一梁格内的弯矩、剪力和扭矩等于它们所代表的那一部分上部结构的内力。
实际上由于分叉式箱形梁桥的复杂性,上述理想的等效梁格往往找不到,但大量的研究与计算表明,梁格法能够把握箱梁桥的总体性能,且具有足够的精度。
对D2、F3联采用空间梁格法进行内力分析。
两联共分1568个杆件(含下部立柱),梁格截面85种,主线及匝道的汽车加载路线5条,行车网格由桥面梁格构架形成,避免了在交织段的车队重复布载(见图1(1))。
3.2 应用有限单元法的计算分析有限元方法是目前最通用有效的工程计算方法之一,能处理任意形状的复杂结构和各种类型的荷载形式。
预应力混凝土曲线箱梁桥通常可看作由多片薄板(壳)组成的薄壁空间结构,因此可以采用薄板(壳)单元的有限元法来进行弯梁桥的结构计算。
—69— 公 路 2003年 第8期(下) 图1 新庄立交分叉曲线箱梁桥计算图示有限元法的精度主要取决于单元模型(形状及位移模式等)和划分网格线的精细,而单元模型的选择更为关键。
在分析弯梁桥这种空间结构时,为了避免采用大量单元去克服建模中的困难(空间作用引起的应力或不规则的影响等),故往往愿意采用四边形单元。
国内外的大量计算实例表明:采用每节点6个自由度的四边形单元(共24个自由度)能够适应绝大多数弯桥的结构分析。
由于弯梁桥腹板的曲率半径往往比单元尺寸大得多,因此采用平板单元来代替具有一定曲率的腹板,一般均能满足设计要求。
但考虑到采用小变形的线弹性理论假定,则平板单元的薄膜和受弯性能是互不耦联的,而空间壳单元是互相耦合的,这样就可使计算工作大为简化,因此在对新庄立交桥的有限元分析中选用了四边形壳单元(见图1(2))。
3.3 梁格法与有限元法的分析对比本桥分别采用梁格法和薄板(壳)单元的有限元法进行了对比分析,结果表明,两种方法在反映曲线梁桥的受力特点上基本一致,两者的计算结果在整体上有较好的符合,由此可以说明基于梁格法计算结果进行设计是完全合理的。
限于篇幅,这里仅列出D 联所对应的三道腹板在自重下的变形曲线以及顶板均匀升温5℃,D 联腹板1的上、下翼缘的温度应力变化值。