【摘 要】本文以实际工程为例,采用梁格法对曲线箱梁进行计算分析,就曲线箱梁构造设计、横梁设计、支座布置、下部墩柱型式以及抗震构造设计等问题进行了探讨。旨在对曲线梁工程设计实践起到有益的帮助。 【关键词】 曲线箱梁桥;梁格法;支座设计;横梁;抗震设计
Curve box the design of the beam bridge and calculation
【Abstract】In this paper, as an example of practical engineering,Beam method used to calculated curve analysis of box girder,The structural design of curve、Cross beam design、Bearing arrangement、The lower part of pillar type and Seismic structural design have been studied deeply. Curved beam aimed at the practice of engineering design has played a useful help.
不可知论【Key words】Curve-bridge;The gridiron method;Support design;Cross beam;Seismic design
在城市立交工程及山区公路设计中,为服从道路线型的要求,曲线桥应用较多。而现浇箱梁以良好的结构受力性能和美观特点成为曲线桥设计中常用的截面型式。本文以某实例设计城市立交匝道中半径90米园曲线上的一联(20米+25米+25米+20米)连续曲线箱梁桥为背景,通过梁格法进行结构计算,以分析曲线箱梁受力特征,探讨横梁、支座及下部结构的受力特点和构造处理以及抗震构造设计。 1. 梁格法进行曲线箱梁空间分析
曲线桥桥型的受力特点与传统的直线梁桥受力有很大不同,如何合理确定结构的支撑体系、支座位置设置及偏心调整、活载内力、偏载对结构受力的影响都是工程师们重点考虑的问题。其计算方法主要有:基于变分原理的解析法、梁格系分析法、基于数值分析的有限元法。在实际设计中,梁格法以易于程序化及操作相对简便、易于理解而得到了较多的使用。其基本思路是将桥梁上部结构离散为一个刚度近似等效的梁格体系代替,分析这种等效的梁格后再将其结果还原到原结构中得到所需的计算结果。
梁格法作为有效、使用简便的空间分析方法在工程实践中得到较多应用。梁格法将上部梁结构用等效的梁格来模拟,对钢筋混凝土结构而言,一般按纵向、横向双向配筋,而且混凝土
泊松比较小,用梁格法计算出的纵、横向弯矩对结构设计精度应该是足够的;同时如果梁格网格足够密时,计算出的翘曲效应也能够等效反应实际情况[1]~[3]。梁格法的应用也比较广泛,如:实体板结构、异型板结构、空心板结构、单多室箱梁结构等。
本桥利用桥梁通用程序“桥梁博士”,用梁格法对一联(20米+25米+25米+20米纵目人是什么意思)连续曲线箱梁进行了空间分析计算。该桥宽8米,桥墩径向布置,采用碗型箱梁断面。
梁格单元划分的疏密程度,直接影响到结构模型的计算精度。理论上讲,网格划分的越密,越能代表真实结构,但是带来的问题是工程实际应用的不便利。所以,在工程实践中要到一个既能反映结构受力特性又运用方便的梁格划分原则。主要影响梁格法精度的因素有纵梁间距、虚拟横梁间距等[4]~[6]。参考文献资料及相关设计,经试算并分析得出箱型截面梁梁格法单元划分按照以下几个原则进行:
1.1 纵向梁格间距取2~3倍梁高,实际结构的纵肋作为纵向梁格的中心线。
1.2 横向梁格间距与纵向基本一致,横向虚拟梁保证模拟梁格与实际结构的力学特性基本一致。
1.3 在受力较大部位或内力突变处,应加密梁格划分;横、纵向梁格尽量做成直角。
童鞋论文网具体到上述工程实例,将断面中两道肋作为纵梁,横向虚拟梁间距采用1~1.5米,横梁的高度为顶、底板之和。
下面是本工程实例的平面示意图(图2),编号1~8代表支座。
梁格法以简便而相对可靠准确的优点,适合工程技术人员使用。但是也存在一些问题,不能考虑剪力滞、扭转、畸变产生的截面翘曲,须要在设计中用三维程序进行复核计算,力求计算准确。本设计同时采用三维空间程序MADIS进行复核计算,两种程序组合1作用下对比计算数据如表1。
从表1结果对比,我们看到梁格法和三维空间程序计算相比在荷载效应上均有一定的差异,最大差值在20%以内。产生这种差异的主要原因在于,梁格法将连续的箱型结构拆分为梁格体系,整体刚度减小,结构内力分配发生了变化;同时其横向联系减弱,使得梁格法的计算结果与三维实体有限元计算结果出现出入。[8 在实际工作中,应该在梁格法计算的结果下乘以一定的安全系数,以确保结构的安全。而且梁格法无法体现剪力滞等效应,无法进行细部应力分析,
这些都需要有空间程序来弥补。但是三维实体模型所需节点及单元数较多英文文献,相应后处理也比较繁琐,而梁格法建立模型及前后处理简单易行,计算相对简便而且计算结果相对可靠的特点,适合于工程实践应用。
2. 支座设计
桥梁支座是上下部结构的连结点。在桥梁结构中,除了由恒载及活载那样的竖直荷载所发生的竖直变形以外,还因由于水平方向的各种荷载,如风力、离心力、地震力、温度和混凝土收缩力等产生的变形,而且曲线桥由于有扭矩存在,在支座支承方向产生不均匀的力。当扭矩较大时,各支座的反力值相差会很大,有时甚至会产生反方向的力。
而城市立交匝道桥设计中,由于受跨越道路断面型式限制及从美观角度考量,往往需要设计单支座独柱墩。一联联端的支座(边支座)间距对整联梁的支座反力也影响较大,如果处理不当,甚至会使支座脱空,造成工程事故。
从上表可以看到,在自重作用下,中支座支反力变化不大;而边支座的支反力随着支座间距的变化而变化较大;而活载作用的不对称性造成边支座间距较小的情况下,出
现脱空的现象。而中墩单、双支座对边支座支反力影响很大。在工程实践的曲线梁设计中,尤其是中墩有独柱墩的情况下,应该尽量拉大边支座的间距,同时合理考虑其它因素的影响,也就是要选择一个合理的支座间距范围,保证桥梁的结构安全和稳定性。
3. 横梁设计
曲线桥中的横梁,不仅起着联系主梁和加强横向刚度的结构作用,而且是抵抗扭转保持全桥稳定的重要构件,设置横梁可以保持主梁截面形状不变,防止压屈变形,有利于荷载分布以及满足制作和运输方面的需要。城市桥梁从美学角度出发,大量采用连续箱梁,其下配比较纤细美观的桥墩。而盖梁一般采用暗梁,其下设支座与桥墩连接。
在本算例设计中,横梁采用暗梁的形式。设计中单独将横梁进行有限元计算,并考虑弯扭耦合作用的影响。由于横梁处于弯、扭、剪复合受力状态之下,在满足弯矩及剪力受力配筋外,还考虑配置抗扭钢筋。以确保运营的安全。
4. 曲线桥抗震设计
曲线桥多位于山区公路或城市立交匝道,其特点之一一联内就是墩柱高度相差较大,如本文算
例中,最高桥墩高8.1米,而最低桥墩高北京贵宾犬4.9米。这样的特点使得整座桥的抗震设计要点集中在支座设计、支座和墩柱的联合作用设计等方面。本算例桥墩型式伸缩端和双支座墩采用双柱墩,单支座墩采用独柱墩sfv,支座则采用板式支座。桥墩自身型式的不统一以及墩高的高低不一决定了各墩柱刚度的不同,在温度力、制动力等水平力作用下,各墩抗力相差很大。在地震作用下,将导致刚度大的低矮桥墩直接剪坏,造成桥梁的倒塌,在汶川大地震中就发生多例弯桥桥墩破坏而致桥梁破坏的实例。为了尽量达到桥墩刚度的均匀、对称,本工程实例中,我们选取支座时在满足承载力和抗剪等基本要求的前提下,考虑支座与墩柱的联合作用,计算墩柱与支座的联合刚度,保证各墩联合刚度基本一致来确定支座的型号。另外注重抗震措施设计,如保证梁端搭接长度,高墩设置联系梁等。还特别注重延性构造细节设计,在墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋等。
曲线梁桥由于受力比较复杂,在实际设计中希望通过快捷而适用的方法进行计算,既能满足设计结构受力要求,同时简便而便于设计操作。梁格法在划分单元合理、纵横梁设置合理的前提下,能达到设计精度要求,在实践中得到了较好的应用。同时在曲线梁设计中横梁的设计、支座位置及间距的调整都对整个结构起到重要的影响,需要设计人员认真分析。在高地震烈度区进行曲线梁桥设计还必须注重抗震构造细节处理及墩台选型合理。另外,曲线梁设计中
还有许多问题如:弯扭问题、剪力滞影响等,需要在今后的设计工作中进一步深入研究。
参考文献
[1] 姚玲森,《曲线桥梁的使用计算方法》,土木工程学报,1989
[2] 姚玲森、王解君,《横向变截面曲线桥梁的计算与分析》,土木工程学报,1987
[3] 孙广华, 《曲线桥梁计算》,人民交通出版社,1995
[4] 邢志成,《弯斜桥计算理论与实用计算》,人民交通出版社,1994
[5] 董剑源、谢旭,《城市高架桥的结构理论与计算方法》,科学出版社,2001
[6] 刘瑶,《梁格法在分析箱梁结构中的应用》,东北林业大学硕士学位论文,2007
[7] 刘斌,《城市立交桥中异形箱梁的有限元分析》,浙江大学硕士学位论文,2004
[8] 《公路桥涵设计通用规范》,JTG D60-2004,中华人民共和国行业标准
[9] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》》JTG D62-2004,中华人民共和国行业标准
[10] 《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007,中华人民共和国行业标准
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