混凝土曲线箱梁桥设计探讨.pdf

戴少雄等： 混凝土曲线箱梁桥设计探讨 7 9 I ) OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 5 0 2 8 混凝土 曲线箱梁桥设计探讨 戴少雄 ， 刘志才 ， 李强 ( 天津市市政工程设计研 究院， 天 津3 0 0 0 5 1 ) 【 摘要】 曲线箱梁桥受力复杂， 施工和运营过程中常出现各种病害。本文基于实际设计过程， 从计算模型 选择、 总体控制要点及配筋方法三个方面对混凝土曲线连续箱梁桥的设计方法做了较为系统的探讨 ： 在有限元计 算模型的选取上， 剪力 一柔性梁格法具有较高的精度， 可作为宽跨比偏大的曲线梁桥首选， 当宽跨 比较小时， 可采 用单梁 一支座刚臂模型； 曲线桥的整体控制尤为重要， 其要点是： 避免支座脱空、 防止结构倾覆、 保证梁纵向自由 伸缩及限制梁径向位移； 曲线梁是典型的弯、 剪、 扭共同作用构件， 配筋难点在于如何快速配置预应力及将截面上 配置的箍筋、 纵向钢筋分解为抗弯、 抗剪及抗扭所分担的相应份额。 【 关键词】 曲线箱梁桥； 计算模型； 支座脱空； 抗倾覆 ； 径向位移； 配筋设计 【 中图分类号】 T U 3 7 5 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 7 9 0 4 在城市互通式立交匝道、 高架桥等设计中， 由于道路 线形的需要， 曲线桥被大量采用。曲线桥最主要的受 力特点是“ 弯一扭” 耦合， 结构重力作用下也会产生比 较大的扭矩， 其扭矩设计值 比同跨径直线桥大得多， 故常采用抗 扭 刚度 大 的混凝 土 箱形 截 面。跨径 较 小 时( 一般中跨小于 2 5 m时) ， 采用钢筋混凝土连续箱 梁； 跨径较大时， 则采用预应力混凝土连续箱梁。近 年来 ， 曲线箱梁在使用过程中出现了不少病害， 如结 构倾覆、 支座脱空、 梁爬移、 腹板开裂等 ， 有必要对 其设计方法进行详细研究。本文从实际设计的角度 出发 ， 对混凝 土曲线箱梁的有限元分析方法、 整体控 制要点及配筋设计细节进行了系统的探讨。 1 有限元计算模型选取 对于曲线箱梁的有限元分析 ， 目前主要有三种方 法： 板单元、 实体单元模型； 剪力 一柔性梁格法 ； 单梁 + 支座刚臂法。 1 1 板单元、 实体单元模型 用板单元、 实体单元模拟， 与曲梁结构最接近， 剪 力滞效应、 截面的约束扭转翘曲、 畸变横桥向挠曲、 畸 变纵桥 向翘 曲均能 自动考虑 ， 查看 结果 时可 以输 出三 维的位移及应力分布。但公路桥规 中关于抗弯、 抗 剪、 抗扭强度的计算公式都是依据大量梁的试验资料 建立起来的半理论半经 验公式 ， 要 按规范 的强 度公式 计算就必须知道断面上的内力。板单元 、 实体单元不 能直接输出内力值， 变相的做法取出截面上一小部分 节点的应力 ， 积分得到内力。另外板、 实体单元模型 一 般采用大型通用有限元程序建立， 预应力效应分析 比较繁琐 ， 混凝土收缩徐变也难 以考虑， 移动荷载分 析时， 最不利加载位置往往凭经验或者通过相应的杆 系计算找出。因其诸多不便 ， 板单元、 实体单元主要 用来做结构的局部受力分析或专项研究( 如剪力滞 ) ， 结构整体计算仍采用杆系完成。 1 。 2 剪力 一柔性梁格法 剪力 一 柔性梁格法即采用纵横向交织 的等效梁 格体系来替代实际曲梁结构。当梁格划分得 比较细 时 ， 采用 直梁单元 的折线形 梁格精度 并不 比曲杆 梁格 低 ， 而直梁单元的计算工作量小得多， 所以一般都采 用直梁单元。混凝土结构翘曲影响较小 ， 单个直梁单 元常忽略 自身的翘 曲， 但作为梁格整体， 截面的剪力 滞、 翘曲、 畸变都是近似考虑了的。梁格法计算精度 高， 可直接输出各项 内力 ， 便于按规范进行强度验算。 其缺点在于工作量大， 需手工准备大量几何参数。采 用梁格法， 应使划分以后的各工形截面形心大致在同 一 高度 ， 且每根工字梁抗弯截面特性应绕整体截面的 主轴来计算 ， 抗扭惯矩不应按开口截面分析， 可近似 取为顶、 底板联合 自由抗扭惯矩 ， 具体公式可参考文 献 J ； 结构抗弯、 抗剪强度验算均可按梁格中的单根 梁进行 ， 但依据公路桥规( J T G D 6 22 0 0 4 ) 第 5 5条 ， 抗扭强度验算须按整个闭合箱形截面验算 ， 截面的总 扭矩为各纵梁扭 矩 与纵 梁剪 力 不平 衡项 对梁 轴 线扭 矩的代数和， 而不仅仅是各纵梁扭矩之和。 1 3 单梁 一支座刚臂法 单弯 一 支座刚臂法最简单实用 ， 输出结果中的内 力即规范强度验算公式中的荷载效应设计值。其缺 点主要 表 现 在 ： 采用 刚性 截 面假 定 ， 不 考 虑翘 曲、 畸 变； 未计及各腹板弧长之间的差异。目前城市立交的 匝道弯桥一般不超过 3车道， 桥宽大致在 1 2 m以内， 宽跨 比B L不大于0 5 ， 刚性截面假定基本可以保证。 对于曲线桥， 由于“ 弯 一扭” 耦合 ， 恒载和汽车作用均 会产生扭矩 ， 结构发生约束扭转翘 曲。混凝 土结构 中， 翘曲正应力与按 自由扭转理论得到的正应力 比 值， 一般较小， 恒载作用下不超过 5 1 0 ， 考虑到 低温建筑技术 2 0 1 5年第 5期 ( 总第 2 0 3期 ) 偏载等不利因素， 汽车作用下也不超过 1 5 ， 初步框 算中可按恒载 1 1 ， 活载 1 1 5输入应力增大系数； 文 献 7 根据跨中横断面上的挠度分布给出了近似的应 力增大系数计算公式 ， 可供参考。 1 4 算例比较 取某互通式立交匝道桥中的一联曲线箱梁作为 分析对象。跨径为： 3 x 3 0 m， 桥宽 1 2 5 m， 梁高 1 6 m， 曲率半径 8 0 m， 断面尺寸如图 1所示， 弯扭刚度比 为 2 6 2 ， 截面抗扭 刚度较 大。 图 1 33 0 m连续梁截面 图 2 梁格法纵梁划分示意 运用空间杆系程序 Mi d a s C i v i l 进行单梁 一刚臂法 及梁 格法 分析 ， 梁 格 中纵梁 划分 见 图 2 ； 采 用 A N S Y S 中的 S o l i d 4 5单元建立了实体模型。结构 自重作用下 典型截面应力分布见图 3 ， 不同建模方法的挠度对 比 见表 1 ， 应力对 比见表 2 。 重 一 2 9 8 5 劢 9 3 3 4 3 - 3 1 6 3JD 7 5 3 2 5 1 8 0 7 3 3 4 O 5 3 9 3 4 2 9 2 71 、 I 、 、 、 、 r 。 、 I 、 - 一 、 厂 距离 图 3 自重作用下边跨跨 中上缘应力分布 表 1 自重作用下结构挠 度对比 m m 从表可以看出， 梁格法计算结果与实体模型吻合 良好， 具有较高的精度。横断面上的应力分布较复 杂， 剪力滞效应 引、 翘曲正应力、 外弧侧腹板 比内弧侧 腹板长等均是重要影响因素。按单梁模型分析 ， 跨 中 位置吻合较好， 而中支点处与实体模型的结果差异稍 大， 但考虑了上述的应力增大系数后， 也基本能够满 足工程设计的需要( 本桥宽跨比为 0 4 2 ) 。 表 2 自重作用下结构应力 M P a 注 ： “+” 为拉 ， “一” 为压 2 曲线梁桥整体 控制要点 混凝土曲线箱梁的病害主要表现在两大方面： 一 是 ， 由于配筋不合理或不够导致的混凝土开裂、 钢筋 锈蚀； 二是， 结构整体位移超过容许值， 比如支座脱 空、 梁倾覆、 爬移等， 相对于前者 ， 其危害性更大。 对于曲线箱梁设计， 其整体控制的要点主要是以 下三方面： 避免出现负反力而导致支座脱空； 保 持主梁的整体稳定 ， 防止结构倾覆 ； 保证梁纵向 自 由伸缩 ， 限制梁径 向位移 。 2 1 防止支座脱 空 曲线桥有双支点的墩位处， 外弧侧支座反力一般 大 于 内弧 侧 ， 曲率半 径越 小越显 著 ， 内弧侧 支 座甚 至 可能出现负反力而脱空。支座脱空病害在弯桥 中最 为常见， 国内早期修建的很多弯桥都出现过此问题。 要防止支座脱空， 从计算上讲 ， 就是要避免支座出现 负反力。支座竖向反力不仅要大于零 ， 而且要有一定 的安全储备， 抗扭墩位处 内弧侧支座的最 小竖 向反 力， 一般不应小于外弧侧支座最大竖向反力的 1 0 。 设计计算中， 应计人预应力次反力、 温度梯度次 反力的不利影响， 曲率半径较小或主梁平面线形不规 戴少雄等 ： 混凝土曲线箱梁桥设计探讨 8 1 则时， 上述两项次反力的值往往比较显著 ， 不得忽略。 在构造设计上 ， 为防止支座脱空， 可适 当拉大双 支座的中心距 ， 调整单点支撑处的偏心距， 采用墩梁 固结等， 一般不建议采用拉力支座。双支座 的中心 距 ， 不应小于梁宽的 1 3 51 4 。 2 2 抗倾覆 桥梁因抗倾覆能力不足或超载而导致的整体侧 翻现象也时有发生 。与 直线桥 不 同， 曲线桥 作为 一个 弧状的长条形整体， 结构绕哪哪根轴倾覆并不明确。 正在修订 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范 ( 征求意见稿 ) 第 4 1 9条作了一些规定 ， 但 尚 不全面。基于弯桥倾覆是受压支座依次逐步脱空 ， 最 后边界条件成不稳定系统的过程， 本文认为， 理想刚 体的倾覆轴有一个基本特性 ， 即： 倾覆轴的外侧 ( 倾覆 侧) 无支点 ， 否则结构将三足、 四足甚至更多足鼎立， 不会倾覆。按此特性 ， 曲线梁桥常有多根可能的倾覆 轴， 计算中， 一般先排除明显不会发生的倾覆轴， 然后 分别计算剩余各可能倾覆轴的抗倾覆稳定系数 ， y 最小的那根轴即为实际倾覆轴。倾覆轴确定后 ， 曲 线箱梁的抗倾覆安全系数 7 可按下式计算 ： a 式中： R 。 i 为成桥恒载状态下各支座反力 ； i 为各 支座到倾覆轴线的垂直距离； 为 冲击系数； q 为车 道荷载中的均布线荷载； 力为倾覆轴线与车道中心线 所围成的面积； P 为车道荷载中的集中载； e 为车道 中心线距倾覆轴线最大垂直距离。 结合结构倾覆不先于结构延性破坏， 以及实际运 营汽车与设计汽车荷载的相互关系， 公路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范 ( 征求意见稿) 要求 抗倾覆温度系数 不小于2 5 。 需要说明的是 ， 结构倾覆与支座出现脱空的关系 是： 支座脱空不一定结构倾覆； 但结构倾覆一定支座 脱空。一般来讲 ， 曲线桥只要确保了支座不脱空且有 一 定的压力储备 ， 则其抗倾覆稳定性是可以保证的。 2 3 保证梁纵向自由伸缩 ， 限制梁径向位移 线桥梁在平面内的变形主要有两类 ， 一是， 预应 力及混凝土徐变引起的切向位移 ， 曲率半径不变， 圆 心角减小 ； 二是 ， 温度变化和混凝土收缩等引起的弧 线段伸长或缩短， 变形后圆心角不变， 半径改变 ， 可以 分解为切向位移和径向位移。 曲线桥纵桥向( 即切向) 自由伸缩变形应严格保 证 ， 一旦其被限制， 曲梁将类似于平面类的拱桥 ， 产生 较大的水平推力及侧 向水平位移 ， 造成桥梁损坏。设 计中， 应预 留足够的伸缩缝变形量及支座允许变形 量 ； 使用过程中， 应注意保养和维护， 防止杂物填塞伸 缩缝 ， 保证伸缩缝及支座的正常工作。 曲线桥出现横 向爬移现象， 是温度变化、 混凝土 收缩所引起位移 的径向分量及汽车离心力等长期作 用的结果。曲梁横桥 向外移时， 梁有外翻转趋势， 而 回复时无内翻转趋势 ， 仍是外翻转趋势， 阻力条件不 一 样 ， 导致每次都不能完全恢复 ， 无数次的残余位移 日积月累就形成 了梁 的爬移病害。国内多座桥梁都 出现过此问题 ， 常采取的解决办法是用千斤顶将 曲梁 顶回原设计位置。设计时可在墩柱上设置横桥 向限 位挡块， 利用支座的摩擦力和挡块共同限制梁的径向 位移。挡块属于刚性约束， 横 向力较大 ， 对墩柱不利 ， 设计中须正确计算径向反力大小 ( 整体升降温、 混凝 土收缩及离心力影响最大) ， 并保证挡块和墩柱的横 桥向强度。国内某立交桥在箱梁腹板外侧与墩台挡 块之间放置类似支座的厚橡胶垫块 ， 允许梁体产生一 定的径向位移， 横向力较小， 又限制了其总位移量， 不 至于破坏伸缩缝 和支座， 从实际运 营情况来看效果 良好 。 3 结构配筋设计 曲线桥梁受力复杂， 是典型的弯、 剪、 扭共 同作用 构件。与直线桥相 比， 曲线桥 由于弯扭耦合 ， 结构扭 矩要大得多。计算结构扭矩时， 须考虑梁体因体积重 心的偏心而产生的恒载均布扭矩 m 及汽车离心力作 用引起的扭矩。计算 m 时一般取单位长梁段 ， 分别按 顶板、 腹板、 底板求得其重心位置 ， 然后求出总体的重 心位置及体积偏心距 ， 具体过程可参考文献 7 。 在曲线桥中， 预应力产生的次内力已不仅是次弯 矩、 次剪力 ， 还存在次扭矩 ， 预应力束 的空间位置应按 实际布束情况模拟。F 莱昂哈特指出 ， 当曲梁梁 段包含圆心角 在 5 0 。 以下时， 截面的纵 向弯矩可足 够精确地取为跨径 L=R 的直梁计算， 故曲线桥设 计中常先按直线桥计算以满足抗弯要求。具体设计 中可按以下流程进行： 采用平面杆系程序 ， 按直线 桥( L=R ) 配筋 ， 验算结构正常使用极限状态下各 应力状况及抗弯、 抗剪强度； 采用前叙的剪力 一柔 性梁格法或单梁 +支座刚臂法， 建立空间杆系有限元 模型， 取第步试配置的预应力束 ， 按空间展开布置， 输入空间杆系模型， 重新验算结构正常使用极限状态 应力及抗弯强度， 如不符合规范要求 ， 适当调整 ； 结 构的剪扭强度核算。截面上配置的箍筋及纵向钢筋 数量是一定的， 难点在于如何把其分解为抗弯、 抗剪 及抗扭所分担的相应份额。规范( J T G 1 3 6 2 2 0 0 4 ) 第 5 5 条抗扭验算中箍筋是沿截面周边布置的， 在箱形 截面验算中， 可取最外侧腹板箍筋、 顶板顶层筋及底 板底层筋围成的钢筋圈作为抗扭箍筋， 腹板上剩下的 8 2 低温建筑技术 2 0 1 5年第 5期 ( 总第 2 0 3期 ) DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 5 0 2 9 基于 T L D的复杂高层结构减振研究 徐龙江 ( 上海同设建筑设计院有限公 司 ， 上海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 调频液态阻尼器( T u n e d L i q u i d D a m p e r ， 简称 T L D ) 具有频率可调、 设置灵活、 成本较低和良 好减振 效果 ， 被广泛应用于高层及超高层建筑结构的震动及振动控制上。本文以一复杂高层建筑结构为例， 将 T L D应用 于该建筑的震动控制上， 分别以简谐荷载和地震波荷载作为输入， 对该结构进行了减振前后的动力时程分析， 通 过对比分析， 结果表明， T L D对该结构有很好的控制效果。 【 关键词】 T L D阻尼器； 复杂高层结构； 时程分析； 振动控制 【 中图分类号】 T U 3 5 2 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 8 2 0 4 由于环境振动及地震地面运动引起的建筑物结 构水平 振动导致 居住 在 内 的居 民舒适 感 降低 的例 子 在近些年出现不少， 迫切需要寻找一种经济、 安全且 可行的解决办法 。已有学者对 调频液 态阻尼器 ( 简称 T L D ) 在高层建筑结构振动控制中做过研究 ， 结果表 明 ， 在 T L D选 择理想 的情况 下 ， 对 建筑 结构水 平振 动 有很好 的控制作用 。本 文在 以上研究 结果 的基 础上 ， 以一大型复杂高层建筑结构为对象 ， 选取简谐荷载和 地震波荷载最为输入 ， 对安装 T L D和未安装 T L D的结 构模型进行了动力时程分析， 在对 比分析结果数据的 基础上， 论证 T L D的减振效果及可行性。 1 T L D原理简介 T L D是利用装在水箱或者容器内的流体 在 目标 箍筋则作为抗剪钢筋。底板底层筋是抗扭箍筋的一 部 分 ， 相对于直线 桥 ， 须适 当加大 ， 并 应强 调顶板 顶层 筋、 底板底层筋与腹板箍筋有效连接。纵 向普通钢筋 的分配， 首先取出一部分保证结构的抗弯强度 ， 剩余 部分 即可作 为抗扭 验算 中沿截 面周 边 对称 布置 的纵 筋。抗扭配筋计算中， 纵筋与箍筋的配筋强度比 ， 以 1 2 左右比较合适， 工程上常取为 1 01 3 ， 在此范围 纵 筋和箍筋 的强 度均能充 分发挥 。一般不 采用 顶 、 底 板中的水平弯曲束来抵抗扭矩 ， 以免造成布束困难。 4结语 与直线桥相 比， 曲线桥设计计算复杂， 需控制指 标较多。本文基于实际设计过程 ， 从有限元计算模型 的选择、 结构总体控制要点、 配筋设计细节做了一些 研究 ， 所得结论可用于类似曲线箱梁桥的实桥分析。 参 考文献 1 杨虎荣， 周世浩 预应力混凝土曲线连续梁桥的加固 J 桥 梁建设 ， 2 0 0 5， ( 2 ) 物体发生晃动或震动时 ， 流体惯性作用下 ， 与 目标减 振物体产 生相 反方 向的运动而达到耗能减振 的 目 的 。T L D原理是其 内部流体的晃动与结构振动形 成反向共振 ， 以达到耗能减振 目的。一般将 T L D中液 体第一阶自振频率调至结构需要控制方 向第一阶 自 振频率的9 5 9 8 ， 才会取得最满意的控制效果。 根据容器的形状、 大小 以及 内部液面的高低来调 节两个水平方向的震荡频率与被控制结构两个主方 向的自振频率一致 ， 以达到结构双向减振的目的。以 矩形 T L D容器为例， 若其两个方向的尺寸分别为 L和 B， 液面禁禁止时候的高度为 h ， 长边边长 与短边边 长 B之比小于 8时， T L D第一阶振荡频率计算如下： 2 黄志坚 ， 曹 传林 某 预应 力混凝土 曲线 连续箱梁桥 的病害及 加固 J 桥梁建设 ， 2 0 0 6， 1 ( 增刊 ) 3 陈小兵 ， 戴 松柏 ， 丁建 明， 等 匝道桥 曲线箱梁桥翘 曲整治方 法探讨 J 公路工程与运输 ， 2 0 0 7， ( 4 ) 4 J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范 s 5 E c汉勃利著 桥梁上部 结构性能 M 郭 文辉译 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 8 2 6 戴公连 、 李德建 桥梁结构空间分析设计方 法与应用 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 1 7 邵旭东， 程翔云， 李立峰 桥梁设计与计算 M 北京： 人民交 通 出版社 ， 2 0 0 7 8 刘芸欣 钢筋混凝土 连续 曲线箱 梁桥剪 力滞效 应研究 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 4 9 F莱 昂 哈特 著 钢 筋 混 凝土 及 预 应力 混 凝 土桥 建 筑 原 理 M 项海帆 ， 陈忠延 ， 陆楸译 北京 ： 人民交 通出版社 ， 1 9 8 8 收稿 日期 】 2 0 1 50 11 9 【 作者简介 戴少雄( 1 9 7 8一)， 男 ， 浙 江绍兴人 ， 高级工程 师 ， 学士， 从事大跨与新型桥梁结构设计工作。