预应力混凝土弯箱梁桥“爬移”研究.pdf

总第 1 期 预应力混凝土弯箱梁桥“ 爬移” 研究 5 1 预应 力混凝土弯箱 梁桥 “ 爬移 研究 涂慧敏 ( 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要 ： 对 近几 年来 弯箱 梁桥 发生 的滑移 ( 爬移 ) 翻转 问题 工程 实例 进行 分析 ， 并 通过 有 限元 分析 软件 MI D AS C i v i l 进行跨径相同、 曲率半径不同情况下的弯箱梁桥支座 内力和梁体位移分析。并讨论在实际工程当中出现该问题 的解决措施和办法， 为以后的类似工程提供借鉴。 关键词 ：弯箱梁 桥 ； 位移 ； MI D AS ； 分析 1 前言 近几年 ， 一些弯梁桥在运营过程中， 发生了一些 梁体滑移甚至翻转的桥梁事故 。实际上 ， 预应力混 凝土连续弯箱梁桥在使用过程中， 由于预加力 、 温度 效应 、 车辆行驶或其他影响因素的作用 ， 会产生侧 向 的变位。由于弯梁的结构特点 、 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， 弯梁在侧 向会产生部分不可恢复 的残余位移。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 ， 即弯梁桥 的侧 向位移问题 ( 称之为“ 爬移” 现象) 。弯梁桥的侧 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 ； 重则 会出现支承结构破坏 、 梁体滑移和翻转 。桥梁出现 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 。 在某大桥引桥匝道模型 的基础上对小半径 、 大 跨度预应力混凝土等高度连续曲线箱梁桥 的结构受 力进行分析和讨论 ， 验证设计理论并确定复杂结构 细节的受力状态， 针对实 际当中存在的问题提 出对 “ 爬 移” 现象相应的改进意见和建议 。 2 模型的建立 借助于 MI D AS C i v i l 进行 分析研 究。单元 类 型包括 ： 空间梁单元及空 间实体单元 。结合本文的 研究主题 ， 所需要 的数据主要包括梁体的径向( 横桥 向) 位移、 竖向挠度( 扭转变形) 、 支座反力 以及桥墩 的内力 。 某大桥引桥为三跨连续弯箱梁桥 ， 跨 度布置为 ( 5 0 +1 2 0 +5 0 )m， 墩身采用双柱高墩 ， 高 1 6 m， 中 间桥墩上支座采用盆式橡胶支座 ， 梁端支座采用 固 定支座 。结合该大桥引桥 匝道实 际情况 ， 研究 曲线 梁桥的受力行为特性 。 桥梁计算行车速度为 4 0 k m h ， 计算 冲击系数 暂取为 0 1 5 。活载按照 2车道考虑。收缩徐 变参 数参照 公路钢筋混凝 土及 预应力混凝土桥涵设计 规范 ( J TG D 6 2 2 0 0 4 ) ( 以下简称新桥规) 取值 ： 一5 ， t 。 一5 ， 1m 1 3 4 ， RH=7 0 ， =5 0 为收缩 开始时的混凝土龄期( d ) ； t 。 为加载时的混凝土龄期 ( d ) ； 为混凝土在 2 8 d龄期 时的立方体抗压强度 ( MP a ) ； RH 为环境年平均相对湿度( ) ； 为依水 泥种类而定 的系数 。 3曲线梁桥受 力分析 结合算例 ， 固定弯箱梁桥 的跨径 ， 取曲率半径分 别为 5 0 m、 1 0 0 i n 、 3 0 0 i n 、 5 0 0 1 1 1 、 7 0 0 r n和1 0 0 0 r n ， 计算 弯箱 梁 桥在 不 同的 曲率半 径 下 结 构 的反 应 ( 表 1 ) 。 由表 1 可知 ， 在不 同曲率半径下 ， 梁端支座 内、 外侧竖向支反力相差较大 ， 且受曲率半 径的影响较 大 ， 这在 比较窄的单 向车道 曲线箱梁 的梁端支座表 现的最为显著 ； 而 中间桥墩上内、 外侧支反力相差较 小 ， 其受曲率半径的影响也较梁端支座小 。 图 1为不同 曲率半径下 的梁体位移 ， 相应数据 见表 2 。由图 1和表 2可知， 曲线梁的曲率半径越 小， 梁体向外侧的扭转就越厉害， 曲线梁侧向位移也 随着曲率半径的减小而增大 ， 而且 同样是梁端的侧 向位移变化最为明显 。扭转变形和侧 向位移也随曲 率半径减小而增大 。图 2为不 同曲率 半径 的分析 模型 。 收稿 日期 ：2 0 O 8 一U一1 O 作者简介 ：涂慧敏 ( 1 9 8 2 -) ， 女 ， 助理工程师 ， 2 0 0 4年毕业于湖北工业大学电子信息工程专业 ， 获学士学位。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 桥梁检测与加 固 2 0 0 8年第 1 期 注 ： 0号 、 1号 、 2号、 3号代表墩编 号， L 为 0号1 号跨跨长 ， L z为 l 号2号跨跨长 ， 为 2号3号跨跨长。 Ll 2 1 号 L 2 2 2 号L 3 2 3 号 粱体纵向位置 _ R=5 0 m _R= 1 00 I l l R= 3 0 0 m 一 =5 0 0 m + =1 0 0 0 m 图 1 不 同曲率半径下的梁体横 向位移 影响曲线桥支反力因素主要有 ： 曲线梁桥 的曲 率半径、 支座布置方式以及边跨和 中跨 比等。曲率 半径的增大能够使 内、 外侧支座的竖 向支反力趋 于 均匀 ， 在跨度不变时， 半径越小 ， 边墩内、 外侧支反力 的差别就越大 ， 内、 外侧支反力 比就越小 。半径在 5 0 -5 0 0 m范围内变化时， 内、 外侧支反力的差别较 大 ， 外侧支反力远大于 内侧支反力 ， 内、 外侧 的支反 力 比在 2 3 8 3 之间变化， 即外侧支反力是内侧支 反力的 1 2 4 3 倍。当半径增大时。 内、 外侧的支反 力 比也随之增大， 即内、 外侧的支反力越来越接近； 当 R 1 0 0 0 T T 1 日 寸， 曲线梁桥已接近直线梁桥， 内、 外侧支 反力基本相同。在预应力作用下 ， 曲率半径的改变还 会使支反力在纵、 横桥方向的分布形式发生变化。 横 向位移 、 扭转以及支座的支反力问题是曲线 箱梁桥结构受力的主要问题 ， 诸如梁体滑移、 梁体转 勇 I li 目 ： 篇= ( a )5 0 m曲率半径 ( b )1 0 0 ffi曲率半径 ( c )3 0 0 m 曲率半径 i ( d ) 5 0 0 m曲率半径 ( e )7 0 0 m 曲翠半径 ( f )1 o o O m曲率半径 图 2 不 同曲率半径 的分析模型 避 一匡 睡 一 一 登 囊薰兰 一 I 隧 】| 銎 薰薰曼 一 爵 口 斟 阿附 一 舯 而 嚣 一 童薰墨 一 一 日 H 目 刚 脚 l盏 嚣 喜j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1期 预应力混凝土弯箱梁桥“ 爬移” 研究 5 3 动等问题大多出现在梁体横 向比较窄、 单 向车道的 预应力混凝土连续 曲线梁桥 中。 “ 爬移” 现象是一些桥梁专家针对 曲线粱桥出现 横向位移而引发曲线梁桥事故而提出的。从表面上 看， 曲线梁桥的“ 爬移” 问题是指弯梁在使用过程 中 出现的横向位移 。而实际上 ， 曲线梁桥 的“ 爬移” 问 题不仅仅有曲线梁 的横 向位移 ， 更重要的还有曲线 梁在横向的扭转现象 ， 即曲线梁在横 向各点挠度的 差异问题 。曲线梁的横向位移和扭转是曲线梁桥发 生爬移现象的一种外在特征 ， 其 中还有支座的支反 力问题 ， 与横向位移相对应的是支座的径向支反力 ， 与扭转相对应的是支座 的竖 向支反力。因此 ， 研究 曲线梁桥的“ 爬移” 现象 ， 主要就是分析曲线梁桥 的 支座支反力问题 ( 包括径 向支反力和竖 向支反力) 、 曲线梁 的横桥向位移 以及 曲线梁的扭转情况。 4 解 决方法及 措施 ( 1 )如果曲线梁桥 的下部结构 为柔性 墩 ， 即墩 身较高 、 平面抗推 刚度较小、 柔度大 ， 而且横桥 向设 置了 2 根墩柱 ， 这样的预应力 混凝土连续 曲线梁桥 可以采用较多的单 向活动支座和 固定支座 ， 甚至可 以采用墩梁固结体 系， 使得 弯梁 的平面 内变形受到 支座及其桥墩的约束 ， 利用 桥墩 的平面抗推刚度来 降低梁体的平面内变形 ， 利用桥墩 自身的柔度来适 应梁体的变形 ， 从而达到梁体和桥墩的共同变形。 高墩双柱 曲线 梁桥采用 图 3的支座布置方式 时 ： 由于桥墩柔度较大， 支座 的平面支反力会较小 ； 曲线梁虽然会有横桥 向的位移， 但该位 移与桥墩 的 变形是协调的 ， 而且在梁端与箱梁曲线 梁之间也没 有相对位移 ； 由于箱梁截面为扁箱 ， 且有双柱墩 ， 曲 线梁的平面旋转 角度也很小 ， 不会 出现支座脱 空。 因此， 采用较多的单向活动和固定支座是可行的。 0 号 墩 固定支座 单向支座 多向支座 5 号墩 固定支座 单向支座 - 多向支座 。 图 3 高墩双柱 曲线梁桥 支座布置形式 ( 2 )减小下部结构的抗推刚度 。采用 图 4中的 布置方式 ， 随着桥墩高度的减小 ， 曲线梁桥下部结构 的抗推刚度逐渐增大 ， 可能会有部分 支座出现平 面 支反力过大， 以及墩底弯矩过大而出现墩底拉应力 超出混凝土的抗拉强度 的情况。此时 ， 可以采取减 小下部结构抗推刚度 的方法 ， 增加桥墩的柔度 。具 体 的做法为 ： 优化基桩 的布 置， 在满足其承载力 的基础上 ， 可以将群 桩改为单排桩 ； 如果采用单 排桩的下部结构柔度仍然不能满足要求 ， 可 以进一 步采取取消承 台的做法。 堑旦 塑 堑塑 f 叵甄 守 1 J ( a ) 高墩 曲线梁桥 基础 ( b )采用 单排 桩垂 司 以 ( c ) 取潲承 台 ，进一步 可以采用群桩 增大下部结构厚度 增大下部结构柔度 图 4 墩 台基桩布置形式 ( 3 )设置弹性侧向支承。桥台一般设置在与路 堤相连的地 段 ， 即使 是柱式墩 台 ， 由于高度非 常有 限， 其抗推刚度是非常大 的， 特别是一些重力式桥台 本身就是刚性的。因此 ， 如果在 曲线梁桥的桥台处 设置 了单向活动支座或者固定支座， 桥台处的梁体 在横 向可以被视为不可动 的， 梁端没有横向位移， 相 应端部的单向活动支座或者固定支座的平面支反力 就会很 大。对于该种情况 ， 可以采取在梁端 的梁体 与防震挡块之间设置侧 向弹性支承 。即利用弹性支 承来代替下部结构 ( 桥台) 的柔度 ， 这不仅 能够减小 梁端支反力 ， 还能够使得顺桥向各墩 台的刚度协调， 从而减小弯梁的横 向位移。 ( 4 )梁端支座 的横 向布置见 图 5 。一般 曲线梁 桥的梁端支反力表现最不均匀 ， 特别是 曲线梁 曲率 半径比较小 ， 桥宽较窄的单向车道曲线箱梁 ， 在恒载 ( 预应力效应表现的非 常突出) 、 日照温差 以及车辆 的偏心行驶的作用下 ， 梁端 内侧支座是最容易出现 拉反力 ， 使支座脱空 。因此 ， 在该类 曲线梁桥的梁端 需要采取 比较特殊的措施来增大梁端梁体的抗扭性 能 ， 一般的做法可 以加大端部双支座的间距 ， 如加宽 端部梁体实心段的宽度， 最重要的是向外侧加宽箱 梁体 ， 再将外侧支座向外侧进行偏移 ； 内侧支座也可 以同时向内侧偏移 ， 但效果没有偏移外侧支座明显。 这种方法能够很好地 改善 内侧支座 的支反力问题 ， 同时也能有效增强端部梁体的抗扭性能 。 J = 二二 卜单 位 L 、 _ 一 黾 f ： 图 5 梁端支座横 向布置 一 丽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m