摘要: 预应力混凝土曲线箱梁桥始终处于弯扭耦合作用的状况下, 扭矩过大时会使曲线箱梁桥产生内侧支座脱空、梁体外移、翻转、裂缝和崩脱等病害, 严重影响曲线箱梁桥的正常运行。通过调节支座布置型式, 可以使曲线箱梁中的扭矩分布合理, 具有一定的现实意义。
关键词: 预应力混凝土; 曲线箱梁桥; 支座; 布置; 探讨
中图分类号: U448.42 文献标识码: A 文章编号: 1002- 4786( 2006) 12- 0026- 02
1 前言
因预应力混凝土曲线箱梁具有较大的抗扭刚度、较好的适应地形地物、线条平顺流畅等优点,在公路立交及城市高架桥的曲线桥上得到了广泛的应用。但曲线箱梁作为一种空间结构, 在荷载、预应力、温度徐变中等产生的弯矩、扭矩、剪力、轴力及二次矩等作用下受力十分复杂, 很难直接计算, 若设计考虑不周, 会发生支座脱空、移位、崩脱等事故, 导致在工程施工结束后不久就需要进行加固维修, 造成不良的社会影响。本文将首先简要分析预应力钢束对混凝土曲线箱梁产生扭矩的原因, 然后介绍几种常见的支座布置方案来改善扭矩的分布, 使受力更加合理, 以供工程技术人员参考。
2 预应力混凝土曲线箱梁中的扭矩
2.1 产生原理
众所周知, 曲线梁与直线梁的主要区别在于曲线梁具有如下特征: a) 外缘弯曲应力大于内缘弯曲应力; b) 外缘挠度大于内缘挠度, 且随着曲率半径的减小, 挠度差不断增大; c) 无论采用何种支座布置方案, 曲线梁内总存在扭矩; d) 各主梁恒载内力不均匀, 因此, 曲线梁总是处于弯、扭耦合的受力状态下。
对于非预应力曲线箱梁, 恒载产生的扭矩主要由内外缘自重差异引起; 对于预应力曲线箱梁, 除了内外缘自重差异产生扭矩外, 预应力钢束在空间方向的分布对于剪心( 即扭转中心) 会产生很大的力矩, 且为主要扭矩( 参见图1) 。
图1为工程中常见的曲线箱梁跨中、跨端截面预应力钢束的分布情况。对于具体的曲线箱梁, 钢束在箱梁的腹板中有若干个上弯曲和下弯曲, 同时在水平方向还有一个大弯曲。底板内的钢束主要为水平面内的弯曲。考虑到图1( a) 中腹板内钢束向上的竖直分力与剪心的力矩基本平衡, 而向弯曲中心方向的分力对梁体有一个逆时针方向的扭矩, 图1( b) 中的底板钢束产生逆时针方向的扭矩, 腹板中钢束水平分力产生了顺时针方向的扭矩, 因此在支座附近由钢束产生的扭矩要远小于跨中部分的扭矩。
2.2 工程实例
某预应力混凝土曲线箱梁, 梁的截面形式为单箱单室的箱体结构, 箱梁高1.6m, 顶板宽9m, 底板宽4.5m, 跨径布置为4×35m, 曲率半径为130m的钢束布置与图1相同, 跨中支座设偏心e=0.15m, 则扭矩可达17 000kN·m。考虑到混凝土收缩、徐变及钢绞线松弛的影响, 实际扭矩也要达15 000kN·m左右, 如此大的扭矩存在于全联梁内, 若不在支座布置中采取必要的措施, 则必然会引起边墩内侧支座脱空、中墩支座橡胶垫严重偏心受压挤破等事故。
3 曲线箱梁桥支座布置型式
对于简支曲梁, 汉斯(Heims) 在文献[2]中给出了在均布竖向荷载及均匀扭矩作用下的闭合解; 文献[3]介绍了连续曲线梁的双三力矩求解方法。然而由于计算繁琐, 目前几乎全部设计均通过电算来求解各截面的弯矩、扭矩、剪力、轴力二次矩及各种变形。使用预应力束主要用来抵抗弯矩, 使之工作时混凝土不出现受拉区。但对曲线箱梁桥预应力束的作用又使截面内增加了扭矩, 若不能有效处理扭矩的分布, 不但会出现前面说的各项事故, 还会在弯扭耦合作用下出现较大的受拉区而使混凝土开裂。为了使曲线箱梁中的扭矩分布合理, 通常通过调节支座布置型式来实现( 参见图2) 。
图2给出了几种多跨平面曲线箱梁桥支座的布置型式。图2( a) 梁的两端为抗扭支座( 双支座) , 曲线箱梁联内安置几个铰支座; 图2( b) 在曲线箱梁中布设一抗扭支座, 可以是双支座, 也可以是固结
墩; 图2( c) 所示联内跨中支座全为外侧偏心支座;图2( d) 既有外侧偏心支座, 也有内侧偏心支座。
在曲线箱梁桥中, 图2( a) 的布置已不多见, 即使对小跨径小半径的非预应力曲线梁, 一般也使用图2( c) 的布置方案。通常预应力钢束引起的扭矩随弯曲半径的减小而加大, 总的扭矩随跨长而增大,因此, 图2( c) 中跨中的偏心支座, 在与偏心距的设置上要分别考虑以下几方面的影响:
a) 横向恒载不均匀的影响如图3( a) 所示, 可通过设置中墩偏心距eg来解决; 对于弯曲半径大于130m的曲线梁, 这个偏心距不大, 一般在0.1m～0.2m左右;
b) 预应力束形成扭矩的影响这部分扭矩的影响相当大, 有时在半径为130m、联跨长140m的四跨曲线箱梁中可达20 000kN·m以上, 若用增加跨中支座偏心距的办法, 则图3( a) ( b) 跨中支座的总偏心距为e=eg+et, 式中, et为抵抗预应力所产生的扭矩; 若跨中支座按图2( c) 的方案布置, 偏心距的加大可使端部抗扭的双支座中的反力大致相等( 或外侧支座反力稍大些) ;
c) 曲线梁从施工完成到使用后的相当一段时间内均受到徐变、温度以及不均匀扭矩的影响, 支座总有滑移, 因此每联曲线梁必须设有一个固定支座, 固定支座一般设在跨中, 有时也可特意在跨中设固结墩;
d) 若梁的线刚度较低, 则在内侧边缘行驶车辆的活载作用下会使内侧受拉区产生较大的应力及挠度( 或转角) , 此时可采用图2( d) 的布置方案;
e) 对于图2( c) 的支座布置, 梁内的扭距使梁产生扭转转动, 与直线箱梁不同, 曲线梁中这种扭转属于约束扭转, 因此梁体内既有剪力滞效应, 又有翘曲与畸变应力, 当半径R足够大时这种影响不明显, 从而使扭转有些类似于自由扭转, 截面内只有剪力流;
f) 对曲率半径R大于130m、跨径小于30m、顶板宽9m的匝道桥, 可采取图2( c) 的支座布置方案,但跨径大于35m时若仍用图2( c) 的方案, 应在联中采用一个固结墩, 或者在全部跨中支座采用图3( b)所示的偏置双支座方案;
g) 对曲线箱梁而言, 图3( b) 所示的方案是既合理又保险的方案, 但这样的桥墩会发生由于外支座反力过大导致墩顶横梁开裂的事故, 为防止这类事故的发生, 可通过在墩顶横梁内布设预应力钢束或者加大墩顶的布筋密度来避免。
4 结论
通过以上分析, 我们可以得出以下结论:
a) 曲线箱梁桥始终处于弯扭耦合的作用下, 受力十分复杂, 要认真分析;
b) 恒载及预应力钢束都会对曲线箱梁产生扭矩;
c) 曲线梁桥曲率半径越小、每一联越长, 其扭矩越大;
d) 为避免支座滑移, 每联必须设一固定支座,一般设在跨中;
e) 通过调整曲线箱梁桥的支座型式, 可以调整曲线箱梁内的扭矩分布;
f) 支座布置型式的选择必须建立在正确分析扭矩的基础上, 不可生搬硬套, 要进行全面的分析。
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] C.P汉斯. 结构杆件的弯曲与扭转[M]. 北京: 人民交通出版社, 1981.
[3] 刘效尧, 赵立成. 梁桥( 下册) [M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.
