摘要: 預應力混凝土曲線箱梁橋始終處于彎扭耦合作用的狀況下, 扭矩過大時會使曲線箱梁橋產生內側支座脫空、梁體外移、翻轉、裂縫和崩脫等病害, 嚴重影響曲線箱梁橋的正常運行。通過調節支座布置型式, 可以使曲線箱梁中的扭矩分布合理, 具有一定的現實意義。
關鍵詞: 預應力混凝土; 曲線箱梁橋; 支座; 布置; 探討
中圖分類號: U448.42 文獻標識碼: A 文章編號: 1002- 4786( 2006) 12- 0026- 02
1 前言
因預應力混凝土曲線箱梁具有較大的抗扭剛度、較好的適應地形地物、線條平順流暢等優點,在公路立交及城市高架橋的曲線橋上得到了廣泛的應用。但曲線箱梁作為一種空間結構, 在荷載、預應力、溫度徐變中等產生的彎矩、扭矩、剪力、軸力及二次矩等作用下受力十分復雜, 很難直接計算, 若設計考慮不周, 會發生支座脫空、移位、崩脫等事故, 導致在工程施工結束后不久就需要進行加固維修, 造成不良的社會影響。本文將首先簡要分析預應力鋼束對混凝土曲線箱梁產生扭矩的原因, 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, 以供工程技術人員參考。
2 預應力混凝土曲線箱梁中的扭矩
2.1 產生原理
眾所周知, 曲線梁與直線梁的主要區別在于曲線梁具有如下特征: a) 外緣彎曲應力大于內緣彎曲應力; b) 外緣撓度大于內緣撓度, 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, 曲線梁內總存在扭矩; d) 各主梁恒載內力不均勻, 因此, 曲線梁總是處于彎、扭耦合的受力狀態下。
對于非預應力曲線箱梁, 恒載產生的扭矩主要由內外緣自重差異引起; 對于預應力曲線箱梁, 除了內外緣自重差異產生扭矩外, 預應力鋼束在空間方向的分布對于剪心( 即扭轉中心) 會產生很大的力矩, 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、跨端截面預應力鋼束的分布情況。對于具體的曲線箱梁, 鋼束在箱梁的腹板中有若干個上彎曲和下彎曲, 同時在水平方向還有一個大彎曲。底板內的鋼束主要為水平面內的彎曲?？紤]到圖1( a) 中腹板內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逆時針方向的扭矩, 圖1( b) 中的底板鋼束產生逆時針方向的扭矩, 腹板中鋼束水平分力產生了順時針方向的扭矩, 因此在支座附近由鋼束產生的扭矩要遠小于跨中部分的扭矩。
2.2 工程實例
某預應力混凝土曲線箱梁, 梁的截面形式為單箱單室的箱體結構, 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, 跨中支座設偏心e=0.15m, 則扭矩可達17 000kN·m。考慮到混凝土收縮、徐變及鋼絞線松弛的影響, 實際扭矩也要達15 000kN·m左右, 如此大的扭矩存在于全聯梁內, 若不在支座布置中采取必要的措施, 則必然會引起邊墩內側支座脫空、中墩支座橡膠墊嚴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[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[3]介紹了連續曲線梁的雙三力矩求解方法。然而由于計算繁瑣, 目前幾乎全部設計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。使用預應力束主要用來抵抗彎矩, 使之工作時混凝土不出現受拉區。但對曲線箱梁橋預應力束的作用又使截面內增加了扭矩, 若不能有效處理扭矩的分布, 不但會出現前面說的各項事故, 還會在彎扭耦合作用下出現較大的受拉區而使混凝土開裂。為了使曲線箱梁中的扭矩分布合理, 通常通過調節支座布置型式來實現( 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) , 曲線箱梁聯內安置幾個鉸支座; 圖2( b) 在曲線箱梁中布設一抗扭支座, 可以是雙支座, 也可以是固結
墩; 圖2( c) 所示聯內跨中支座全為外側偏心支座;圖2( d) 既有外側偏心支座, 也有內側偏心支座。
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應力曲線梁, 一般也使用圖2( c) 的布置方案。通常預應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, 這個偏心距不大, 一般在0.1m～0.2m左右;
b) 預應力束形成扭矩的影響這部分扭矩的影響相當大, 有時在半徑為130m、聯跨長140m的四跨曲線箱梁中可達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為抵抗預應力所產生的扭矩; 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( 或外側支座反力稍大些) ;
c) 曲線梁從施工完成到使用后的相當一段時間內均受到徐變、溫度以及不均勻扭矩的影響, 支座總有滑移, 因此每聯曲線梁必須設有一個固定支座, 固定支座一般設在跨中, 有時也可特意在跨中設固結墩;
d) 若梁的線剛度較低, 則在內側邊緣行駛車輛的活載作用下會使內側受拉區產生較大的應力及撓度( 或轉角) , 此時可采用圖2( d) 的布置方案;
e) 對于圖2( c) 的支座布置, 梁內的扭距使梁產生扭轉轉動, 與直線箱梁不同, 曲線梁中這種扭轉屬于約束扭轉, 因此梁體內既有剪力滯效應, 又有翹曲與畸變應力, 當半徑R足夠大時這種影響不明顯, 從而使扭轉有些類似于自由扭轉, 截面內只有剪力流;
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時若仍用圖2( c) 的方案, 應在聯中采用一個固結墩, 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的方案, 但這樣的橋墩會發生由于外支座反力過大導致墩頂橫梁開裂的事故, 為防止這類事故的發生, 可通過在墩頂橫梁內布設預應力鋼束或者加大墩頂的布筋密度來避免。
4 結論
通過以上分析, 我們可以得出以下結論:
a) 曲線箱梁橋始終處于彎扭耦合的作用下, 受力十分復雜, 要認真分析;
b) 恒載及預應力鋼束都會對曲線箱梁產生扭矩;
c) 曲線梁橋曲率半徑越小、每一聯越長, 其扭矩越大;
d) 為避免支座滑移, 每聯必須設一固定支座,一般設在跨中;
e) 通過調整曲線箱梁橋的支座型式, 可以調整曲線箱梁內的扭矩分布;
f) 支座布置型式的選擇必須建立在正確分析扭矩的基礎上, 不可生搬硬套, 要進行全面的分析。
參考文獻
[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. 結構桿件的彎曲與扭轉[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.
