混凝土曲线梁桥支座偏心设置分析研究.pdf

第 3 9 卷 ， 第 3期 2 0 1 4年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9，No 3 J u n， 2 0 1 4 混凝 土 曲线梁桥支座 偏心设置分析研 究 彭 新星 ，彭斌 ( 湖南省公路设计有 限公 司 ， 湖南 长沙4 1 0 0 1 1 ) 摘要】以一座四跨曲线梁桥为背景 ， 采 用单 主梁 法建立 空 间有限元 模型 ， 对不 同中支 座偏心 距情 况下恒 载 、 活载支座竖向反力进行了计 算分析。结果显示 ， 支座 反力 主要受恒 载分配 的影响 ， 各种偏 心距情 况下活载反力 变化幅度较小 。支座偏心设置方法可用于类似桥梁的设 计。 关键 词】曲线 ； 混凝 土梁桥 ；支座偏 心；有限元模 型 中图分类 号】U 4 4 3 3 6 文献标识码 】A 文章 编号】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 2 8 0 0 4 An a l y s i s o f Co n c r e t e Cu r v e d Be a m Br i d g e Be a r i n g Ec c e n t r i c i t y PENG Xi n x i n g，PENG Bi n ( Hu n a n P r o v i n c i a l H i g h w a y D e s i g n C o ， L T D，C h a n g s h a ，H u n a n 4 1 0 0 1 1 ， C h i a n ) A b s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t a k i n g a f o u r s p a n c u r v e d g i r d e r b r i d g e a s t h e b a c k g r o u n d ，a fi n i t e e l e - me n t mo d e l i s b u i l t u s i ng t h e s i n g l e b e a m me t h o d，f o r d i f f e r e nt b e a r i n g e c c e n t r i c i t y i n c a s e o f de a d l o a d， l i v e l o a d b e a r i n g v e rti c a l r e a c t i o n f o r c e s a r e c a l c u l a t e d a n d a na l y z e d Th e r e s u l t s s h o w，t h e c o u n t e r f o r c e o f t h e s u p p o rt i s ma i n l y a ffe c t e d b y t h e c o ns t a n t l o a d d i s t rib u t i o n，v a rio u s e c c e n t r i c i t y u n de r l i v e l o a d f o r c e o f s ma l l e r a mpl i t u d e Ec c e n t r i c s u p p o rt t h i s s e t t i n g me t h o d c a n b e u s e d for t h e d e s i g n o f s i mi l a r b rid g e s Ke y w o r d s c u r v e ； c o n c r e t e b e a m b ri d g e ；e c c e n t r i c s u p p o r t ； fi n i t e e l e m e n t mo d e l 0 引言 随着城市建设和交通事业的发展 。 城市立交桥 及 高 速公路 立 交桥 的数量 日益 增加 。立交互 通 需通 过 匝道来实现 ， 匝道桥与立交桥 的连接经常通过 曲 线 桥 梁连接 。 由于 小 半 径 曲线 梁 扭 矩 比较 大 ， 无 论 采用何种支座布置形式 ， 都无法很大程度的减小荷 载产生的扭矩 。如何采取适 当措施来 改善受扭 状 态 ， 是 曲线梁 桥 设 计 中 的难 点 之 一 。 国内外 学 者 研 究 发现 ， 对 于采用 独 柱 墩 支 承 的预 应 力 曲线 梁 连 续 梁 桥扭矩 调 整 比较 有效 的方 法是对 各 中间支 座偏 心设 置 。将 单 点 支 承 的 中 心线 沿 径 向 往 曲线 外 侧 移 动一个 较 小距 离 ， 可 以起 到调 整 梁 端 扭矩 的 目 的。降低弯梁桥内扭矩的最大值 ， 可以充分利用混 凝土截面提供 的抗扭强度， 节约抗扭钢筋的配制。 由于桥 台受到的扭矩也同时减小， 桥台及支座 的设 计 可以 简化 。 因此 ， 预 设 支 座偏 心 是 一 种 不 增加任何投资而达到改善 内力、 节约材料 目的的措 施 。本文将就独柱墩单点支承预设偏心 ， 改善梁端 支座反 力进行 研究 。 l 桥 梁概述 本文以某市一 匝道桥为例进行计算分析。该 匝 道桥 为一 四跨 曲线 预应 力 混 凝 土 现 浇 连 续 空 心 板 桥， 跨径组合为 42 0 m， 联长 8 0 m， 桥宽为 1 0 m。 该桥 线 路 中心 线 平 曲 线 半 径 为 5 4 5 m， 圆 心 角 为 8 4 O 4。 。 本桥平面布置见图 1 ， 跨中断面图见图 2 。空心 板高 1 3 m， 宽度为 1 0 m， 板梁外形美观， 适合 于城 市桥 梁 的设 计 。 本 桥 板 梁 混 凝 土 等 级 为 C 5 0 ， 容 重 2 6 k N m ； 两侧设 5 0 c m宽防撞栏杆 ， 桥面铺装为 9 c m沥青混 凝土， 容重 2 4 k N m ； 汽车活载为公路 I 级， 梯度温 度荷载按现行公路桥梁设计规范执行 ； 不均匀沉降 按每个桥墩沉降 5 mm考虑。 本桥支座设计为： 桥台处设双支座 ， 支座间距为 【 收稿 日期】2 0 1 3 - - 0 4 - 0 8 作者简介】彭新星 ( 1 9 8 0 -) ， 男 ， 湖南益阳人 ， 公路 与桥梁工程师 ， 主要从事 公路与桥梁设计_T作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 彭新 星 ， 等 ： 混凝土曲线粱 桥支座偏心设置分析研究 2 8 1 F i g u r e 1 B r i d g e l a y o u t ( u n i t ： e m) l o o o 圈 2跨中断面图( 单位： c m) F i g u r e 2 T h e d i a g r a m o f mi d d l e s e c t i o n ( u n i t ： c m) 3 8 m， 偏心距为 0 1 m； 中间桥墩均设单支座 ， 支座 偏心距为 0 1 m。 2模型的建立 本文 采用 MI D A S C I V I L有 限元 分析 软 件 ， 采 用 单 主梁法对试验 模型 梁进行有限元分 析。建立 的 MI D A S有限元模型完全按照桥梁实际支承情况 ， 通 过节点偏移来模拟 中、 端支座偏位。并用刚臂和 一 般支承相连接形成边界条件。计算在各种荷载作用 下端 、 中支座偏移量对曲线梁支座反力和 内力的变 化 ， 然后总结支座布置对曲线梁反力的影响效应 。 为 分析曲线梁支座的设置方式的影响效应参数分析提 供 可靠 的依据 。 由于 MI D A S c i v i l 有 限元 分 析 软件 不 能 直 接 建 立曲线模型 ， 将试验模型梁按照单元划分原则分为 8 0个细小单元对称于中问支点布置， 以直代 曲建立 曲线梁模型。模型中的混凝土和钢筋的各种材料属 性均按照规范的相关数据进行选取 。各支座的模拟 按照试验梁试验时的真实状 况进行 ， 通过节点偏移 经刚臂连接形成边界条件 。对 曲线梁在各种情况下 支座调整反力影响效应进行分析， 建立有 限元模型 如图 3 ， 图 4所示。 3支座偏心设计分析 本 文对 中支 座偏 心距分 别取 0 0 、0 1 、0 2 、 0 3 、 0 4 、 0 5 、 0 6 m进行计算分析 ， 考察结构在各 图 3桥梁的有限元模型圈 F i g u r e 3 F i n i t e e l e m e n t mo d e l o f t h e b r i d g e 图 4支 座 编 号 示 曩 图 Fi g u r e 4 S c h e ma t i c di a g r am of b e a r i n g nu mbe r 种荷载作用下内力、 反力随支座偏心距的变化情况 ， 从而找 出较好的支座偏心距 。以下列出各种支座偏 心 工况 下支 座反 力 的计 算结 果 。 3 1各工况支座反力计算( 见表 1 ) 3 2恒载 支座偏 心分析 在恒载作用下 ， 各支座反力随偏心距的变化情 况如 图 5所 示 。 从 图 5 ( a )一图 5 ( g ) 可以看出： 在恒载作用下， 中间桥墩支座的竖 向反力随支座偏 心的增大而减 小， 近似成线性关系； 随着 中间支座偏心距的增大， 梁端外侧支座反力呈近似线性增加。 内侧支座反力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 2 公路工程 3 9 卷 呈近似线性减小 。将梁端 内、 外侧恒载支座反力随 中间支座偏心距 的变化放到一起 ， 如图 6所示 。可 以看出： 当中间支座偏心距为 0 5 2 m时， 梁端内、 外 侧支座反力相等。另外 ， 梁端内、 外支座反力只是分 ( a )l 吱 座反力变化 ( b ) 2 支座反力变化 ( c ) 3 支座反力变化 ( d) 4 忮 座反力变化 ( e ， 5 忮 座反力变化 ( f ) 6 支座反力变化 ( g ) 7 岐 座反力变化 图 5 恒载支座反力随支座偏心的变化 Fi g ur e 5 Va ria t i o n o f c o ns t a nt l o a d b e a rin g f o r c e wi t h t he b e a r i ng e c c e nt ric i t y 2 5 0 0 20 0 O I 500 l 0 0 0 5 o 0 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 06 图 6梁端 内外支座反力变化 Fi g u r e 6 Be a m e nd b e a r i n g f o r c e 配比率变化 ， 总和基本保持不变。 3 3 活载 支座 偏心 分析 在活载 ma x 作用下 ， 各支座反力随偏心距 的变 化情况如图 7所示。 在活载 ra i n作用下 ， 各支座反力随偏心距 的变 化情况如图 8所示。 从 图 7图 8可 以看 出 ： 在 汽 车活 载 作 用下 ， 随 着 中间桥 墩支 座 的偏 心 距 的 变化 ， 桥 梁 中支 座 竖 向 反力变化幅度 比较小， 3 、 4 、 5号支座在活载 ma x作 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 彭新星 ， 等 ： 混凝土 曲线梁桥支座偏心设置分析研究 2 8 3 ( a )l 吱 座反力变化 ( a )l 支座反力变化 ( b )2 吱 座反力变化 ( c )3 支座反力变化 ( h ) 2 吱 座反力变化 ( c )3 吱 座反力变化 7 5 0 7 4 0 7 3 0 7 2 0 7l 0 7 0 0 6 9 0 6 8 0 6 7 0 660 ( d ) 4 支座反力变化 0 0 1 0 2 03 0 4 0 5 0 6 ( f ) 6 支座反力变化 l 1 5 0 1 1 4 5 l 1 4 0 l l 3 5 l 1 3 0 l 1 2 5 l 1 2 0 l l l 5 0 0 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 ( e ) 5 支座反力变化 ( g ) 7 支座反力变化 图 7 活载 ma x支座 反力随支座 偏心的变化 Fi g ur e 7 Va ria t i o n o f ma x l i v e l o a d be a rin g f o r c e wi t h t h e be a r i n g e c c e nt r i c i t y 用 下 ， 支 座偏 心距 从 0 0变 化 到 0 6 ， 支 座 反 力 变化 仅 为 1 9 k N左 右 ， 变 化 幅 度 仅 为 1 7 。 端 支 座 反 力变化幅度也不大 ， 约为 6 7 。 3 4 支座偏 心 对各 种荷 载 支座反 力 的影 响 综 上 分 析 可 知 ， 中间 桥墩 支 座 的径 向偏 心 主要 影响恒载作用下支座 的竖 向反力 ， 对活载作用下产 生的反力影响 比较小 。以本桥为例 ， 中墩支座偏心 为 0 5 2 m时， 端支座内、 外侧支座反力基本相 同， 且 中间支座的反力也 比较小 ， 故可作 为比较合理的支 座偏 心布 置方 式 。 一1 8 8 1 88 5 1 8 9 一l 8 9 5 一l 9 0 1 9 0 5 一l 9l l 91 5 一l 9 2 1 9 2 5 -1 9 3 ( d 4 支座反力变化 0 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 ( e ) 5 支座反力变化 ( f ) 6 支座反力变化 ( g ) 7 支座反力变化 图 8活载 mi n支座反 力随支座偏心 的变化 Fi g ur e 8 Va r i a t i o n o f rai n l i v e l o a d b e a rin g f o r c e wi t h t h e b e a r i ng e c c e n t ric i t y 4 结 论 曲线梁桥在各种荷载作用下， 均会产生弯扭 耦合效应 ， 导致桥梁支座反力的不均匀分布。 曲线梁桥支座反力主要受恒载分配的影响， 各种偏心距情况下活载反力变化幅度较小。 在进行曲线梁桥支座偏心设计时应主要考 虑恒载反力情况， 以及恒载作用下结构内力分配。 对于混凝土弯箱梁桥 ， 在不明显改变梁体 内 ( 下转 第 2 8 9页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 董敏， 等： 下穿既有高速公路下隧道施工双层管棚对土层加固作用有限元数值分析 2 8 9 围要小于( b ) 图。这也证 明了管棚能够有效减小隧 道拱顶 、 初衬落脚处和掌子面围岩塑性应变， 从而保 证隧道开挖过程中围岩的稳定性。另一方面 ， 也说 明了在此类软弱 围岩应该采用 超短 台阶开挖 ， 留核 心 土 ， 且 应及 时 封 闭初衬 。 通过上述分析 ， 管棚支护在隧道开挖过程中能 够有效约束土层变形 ， 使地表沉降减小 1 8 ； 在一 定程度上减小了初衬拱顶 、 拱腰处的弯矩 ， 起到了防 止初衬内侧受拉开裂的作用 ； 由于管棚对土层 的约 束 ， 从而减小 了锚 杆的拉力 ； 减小 了拱顶、 拱脚处和 待开挖土体的塑性应变， 防止在隧道开挖过程 中土 体变形过大产生塑性破坏 ， 提高了围岩稳定性 。 6 结论 本 文对 下穿 机场 高速 浅埋 暗挖 隧道 上 台阶施 工 进行 了数值模拟 ， 通过对数值结果 与实测结果分析 比较 得 出 ： 在 3 D数值计算中用梁单元模拟管棚较真实 地反映了管棚在隧道开挖过程 中的变形 和支护作 用 ， 其模拟结果与实测结果吻合较好 。 双层管棚能有效支撑隧道上覆土层 ， 约束土 体变形 ， 从而减小地表沉降， 保护路面结构。 管棚可 以减小初衬弯矩， 防止初衬 内侧混凝 土受拉开裂破坏。 管棚可 以减小隧道开挖过程中拱顶 、 拱腰、 拱脚和掌子面围岩塑性变形 ， 保证 隧道开挖过程 中 的 围岩稳 定性 。 【 参考文献】 1 周顺华 ，张先锋 ，余才高 ， 等南京地铁软流塑地层浅埋暗挖 法施工技 术的探讨 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ， 2 4 ( 3 ) 2 MAK O T O MI WA，MI T S UMA S A OG AS AWAR AT u n n e l i n g t h r o u g h a n e m b a n k me n t u s i n g s J 1 g r o u n d f a s t e n m e t h o d J T u n n e l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y ，2 0 0 5( 2 0) ： 1 211 2 7 3 刑厚俊，徐祯祥大管棚在 浅埋 暗挖大跨度 隧道工程 中的应 用 J 岩石力学与工程学报 ， 1 9 9 9 ， 1 8 ( 增)： 1 0 5 91 0 6 1 4 伍振 志，傅志锋 ， 王静 ， 等浅埋松软地层开挖 中管棚注浆法 的加固机制及效果分 析 J 岩石力学 与工程学 报， 2 0 0 5 ，2 4 ( 6 ) 5】 H e f n y ，A M ， T a n ，W L ，R a n j i t h， P ，S h a r ma ， J ，Z h a o ， J ，2 0 0 4 Nu me ric a l a n a l y s i s f o r umb r e l l a a r c h me t h o d i n s h a l l o w l a r g e s c a l e e x c a v a ti o n i n w e a k re c k J T u n n e l l i n g a n d Un d e r g r o u n d Sp a c e T e c h n o bg y 1 9，PP 5 0 0 6 T a n ，W L ，R a n j i l h ，P G 。2 0 0 3 N u me r i c a l a n a l y s i s o f p i p e r o o f r e i n f o r c e m e n t i n s o f t g r o u n d t u n n e l i n g A P r o c e e d i n g s o f t h e 1 6t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n En g i n e e rin g M e c h a n i c s C 2 0 0 3 ， ( i n C D R o m)A S C E， S e a t t l e ， U S A E 7 2 G J B a e ， H S S h i n ， c S i c i l i a ， e t a 1 H o m o g e n i z a t i o n f r a me wo r k f o r t h ree - d i me n s i o n a l e l a s t o p l a s t i c fin i t e e l e me n t a n a l y s i s o f a g rou t e d p i p e - r o o fin g r e i n f o r c e me n t me t h o d for t u n - - n e l i n g J I n t e r n a t i o n a l J o u rna l fo r N u m e ri c a l a n d A n a t i c a l Me t h o d s i n G e o me c h a n i c s 2 0 0 5， 2 9 ( 1 ) ： 1 2 4 - 8 苟德明，阳军生 。张戈浅埋 暗挖隧道 管棚变形 监测及受 力 机制分析 J 岩石力学与工程学报 。 2 0 0 7。 2 6 ( 6 ) 9 苟德明， 阳军生 ， 高世军 下 穿公路下连 拱隧道 双层 管棚预 加 固作用数值分析 J 】 长沙交通学院学报 ， 2 0 0 8 2 4 ( 2 ) ：l 6 2 2 1 O 李国富综采面托伪顶 开采 化学注浆 加固技术 研究 J 矿 山压力 与顶板管理 。 2 0 0 3 ( 3 ) ： l一3 1 1 Hi b b i t t ，K a r l s s o nS o r e n s e n I n c A B AQ U S S t a n d a r d Us e r s Ma n u a l ； AB AQ U S C AE Us e r s Ma n u a l ； AB A Q US K e y w o r d s Ma n u a l ； AB AQ US B e n c h ma r k s Ma n u a l ； AB A QU S V e ri fi c a t i o n Ma n u a 1 美国 ： S I MU L I A公司 ， 2 0 0 8 ( 上接 第 2 8 3页) 力 的情 况下 ， 可 以对 各 支 点 处 内 外侧 支 座 的位 置 进 行合理调整 ， 从而有效地改变内外侧支座受力不均 的情况 ， 避免在使用过程 中发生因支座受力不均而 引起的相关病害。 【 2 3 【 参考文献】 蔡松 柏， 李存 权 箱 型梁桥 剪力滞效应 的精确分 析 J 中南 公路 工程 。 1 9 8 9 ( 3 ) ： 3 3 4 1 邹 芒， 孙浩 薄壁曲线 箱粱剪力 滞效用 的有 限元解 法与 实验 研究 J 公路 _工程 。 2 0 1 1 ， 3 6 ( 3 ) ： 2 6 2 9 张杨永 连续刚构箱粱桥 剪力滞效应 的参数分析 J 公路工 程 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 4) ： 5 8 6 6 4 吴西伦 弯梁桥设计 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 1 9 9 8 5 吴幼明， 罗旗 帜， 岳珠峰 ， 等 多因 素分析薄壁 曲线箱 梁剪滞 效应的力 学模型 J 中南公路工程 。 2 0 0 7， 3 2 ( 3 ) ： 4 2 4 5 6 王钧利 曲线箱梁桥的病 害分析 及设 计对策 J 】 中外公路 ， 2 0 0 5 ， 2 5( 4 ) ： 1 0 21 0 5 【 7 梁志广， 高岩 ， 庄军 生 预应力混凝 土连续曲线粱桥板式橡胶 支座的状态评定 【 J 中国市政工程 。 2 0 0 5 ， ( 4 ) ： 2 3 2 5 8 单德山 ， 李乔 高速铁路 曲线 梁桥 支座布置形式 初探 J 重 庆交通学院学报 ， 2 0 0 1 ， 2 0( 2 ) ： 1 5 9 方诗圣 ， 肖兵 ， 张吉烁 ， 等 支座 布置形式对 曲线梁桥 力学性 能的影响 J 世界桥梁 2 0 1 l ( 4 ) ： 4 9 5 2 1 0 常书哗 ， 魏涛 ， 杨 尚义， 等 预应力混 凝土弯箱梁桥多支座布 置效应分析 J 公路交通科技 ， 2 0 1 1 ， 1 ( 7 3 ) ： 1 0 51 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m