预应力混凝土曲线箱梁桥受力性能分析.pdf

5 6 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 1 2 月第 1 2 期 预应力混凝土曲线箱梁桥受力性能分析 乔建刚 ， 游金 兰 ( 1 天津市 市政工 程设计 研究 院 ， 天津 市 3 0 0 0 5 1 ； 2 福州市 公路局 ， 福 建福州 3 5 0 0 0 0) 摘要： 针对预应力混凝土曲线箱梁桥弯扭耦合明显的受力特点 ， 建立一个两跨预应力混凝土曲线箱梁的有限元模型， 通过分 析其在 自重、 预嘘力及复合荷载下截面应力和位移的分布 ， 考察曲线箱梁桥的受力性能。 关键词 ： 预应力 ； 曲线梁 ； 有 限元 ； 弯扭耦 合 中图分 类号 ： U4 4 8 2 1 3 文献 标识 码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 5 6 0 5 1 概述 在城 市立体交叉桥及高速干线 中 ，由于道路 线型的需要 ， 曲线梁桥被广泛采用 ， 在曲线梁桥型 中，箱 形截 面由于抗扭刚度大 、截 面应力分布合 理 、 稳定性好 、 材料 利用充分等优 点 ， 得 到广泛 的 应 用 。 由于曲线箱梁桥具有独特的弯扭耦合力学特 性 ， 使得结构受力相 当复杂 。通 常 ， 预应力混凝 土 曲线箱梁桥适用于曲率半径较小的情况 。在 曲率 半径较大 的情况下 ，预应力混凝土箱梁桥容 易出 现主梁外移 、 梁体 向曲线外侧 翻转等病害 ， 且支 座反力和预应力效应 的计算缺乏合理和精确的分 析方法。 针 对预应力 混凝土 曲线梁 复杂的受力特 点 ， 本文将对一联预应力混凝土曲线箱梁模型进行有 限元分析 ，对预应力效应及外荷载作用影 响下 曲 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 7 3 1 作者简 介 ： 乔建 刚( 1 9 8 4 一 ) 。 男 ， 内蒙 古 四子王旗 人 ， 工程 师 从事桥 梁设计工作 。 线梁桥的受力性能进行分 析 ，以期从计算分析 中 总结 出一些有益 的结论 ，为预应力混凝 土曲线梁 桥的设计提供参考。 2实例参数 模 型为一联两 跨预应力混 凝土连续 箱梁 ， 跨 径布置为 2 X 6 m( 见图 1 ) ， 采用单箱单室截面 ， 曲 率 半径为 1 0 m， 梁高 0 4 7 m， 箱梁顶 宽 2 4 m， 底 宽 1 1 5 m， 翼缘悬臂长 0 6 2 5 m。箱梁截面沿桥纵 向变化 ， 跨 中截面箱梁顶 板 、 底板厚 0 0 7 m， 腹板 厚 0 1 3 5 m( 见图 2 ) ； 支点处截面箱梁顶板 、 底板厚 0 1 4 m， 腹板 厚 0 2 1 m( 见 图 3 ) ； 桥梁支 点处设置 横梁 ， 其 中端横梁厚 0 4 m， 中支点横 梁厚 0 5 m， 横梁截面与典型横截面问设 0 8 m长的变截面段。 梁体采用 C 5 0混凝土 ，每束预应力钢束采用单根 1 5 2 4钢绞线 ， 张拉控制应力为 8 0 0 MP a ， 共六束 。 3 有限元模型 本文采用通用有限元程序对预应力混 凝土箱 梁进行分析 。 不设置开 口。建议单位车辆 以右进右 出的形式进 出道路 ， 在附近交叉路 口调头实现左转。 4 5 排水 中央分隔带 内水分 的主要来源是大气降水和 绿化灌溉 。如果这部分水不能及时排放而滞 留在 种植土内， 积水可能就会渗入两侧路基土中， 使路 基稳定性降低， 从而导致路面出现裂隙。因此 ， 中 央分隔带的排水设施尤为重要 。 目前常 用的中央分隔带排水形式为渗沟 +排 水管。在中央分隔带底部设置碎石渗沟与纵向排 水管用于汇集下渗水分 ，再通过横 向排 水管将 汇 水排入路侧 的雨水井 中。纵 向排水管的坡度应不 小于 1 ， 横向排水管的坡度应不小于 2 。 横向排水管可采用塑料管或混凝土管。 采用塑 料管的应设置混凝土包封 ，以免路基施工碾压 时 破坏排水管 ， 引起积水的渗漏。横向排水管在渗 沟 的出口、 雨水井 的接 口处均应设置止水措施 ， 以免 积水的渗 出。 5 结语 城市干路是城市交通的快速通道， 设置合适的 中央分隔带对于保 障行车速度 、 行 车安全 、 行人安 全及构筑城市生态环境 等方 面具有重要意义 。城 市主干路 的规划设计 应重视 中央分 隔带 ，合理规 划宽度及 开 口，城市次干路也应尽可能地采用 中 央分 隔带形式 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 l 2 月第 l 2 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 5 7 图 1 立面图( 单位 ： mm) 图 6 预应力 混凝 土 曲线箱梁 桥有限元模 型 图2跨 中 横断 面 ( 单 位： ra m )4 自重作 用下结果分 析 图 3 支点横 断面 ( 单位 ： mm) 对混凝土采用实体单元模拟 ，除个别四面体 过渡单元外， 单元形状均为六面体八结点单元。 对于钢筋和预应力钢束采用只受轴力作用的 桁架 ( T R U S S ) 单元( 见图 4 、 图 5 ) 来模拟 ， 将预应力 钢束及钢筋作为结构的一部分参与整体分析。在 曲线箱梁 的整体分析中不考虑钢筋 与混凝 土的滑 移 ， 采用约束方程( C o n s t r a in t e q u a t i o n s ) 对钢筋和 混凝土单元进行连接设置 。其 中预应力钢束通过 设置单元初始应变来 模拟钢束 的张拉力 。对于普 通钢筋 的模拟 ，主要计入纵 向受力钢筋和腹板箍 筋 。预应力混凝土 曲线箱梁的空间有 限元模型见 图 6 。 图 4 预 应力钢 束单元 图 5 纵 向钢筋 钢筋 预应力混凝土曲线箱梁由于受到结构曲率半 径 的影 响 ， 在 自重 荷载作用下不仅产生弯 曲 ， 还产 生扭转 。从 图 7 图 8可以看 出， 由于扭矩 的影 响 使梁体整体外翻 ， 截面内外竖 向挠度差较 明显 ， 且 截面扭转角沿跨径方向呈减小的趋势，即越靠近 边支点梁截面外翻现象越不明显。 - lllll 0 蠹 董 ：羞萎 誊j j 薯： 一 t- t 一 一 一 一 一 一一 一一 _ l ： i ： 。 。： j ： ： 。 二 兰 毒 - j 生 二 ： ：j ： _ _ j _ _ i 一 _l _： l = = _ _ = 二 = ll l _= =_ =!=羔 - j ：_ ：=j=： ：三 j ：_二 善 置 = 曼 j _ i ，薹 ：蠹 j 孽 ： _ 二 。 薯 一 llll_ l _= = = = _ _ _蔓 = = = ll薯 l l ll ll l_ 一 一 1 4 截 面 挠 度 = = = = = = ；1 。 ： ： 蔓 二 j _ _ _ j ： 一 截 面 挠 度 。 。 。 ：羞 妥 每， 窖 毒窖j 量 ，l 王 _# _l_ 蔓 ： ： 。一 。毒 ：一 蔓 二 # =蔓 置 1 L ： ： 一 ： ： j 一 二 i 二 二上二 二 二 一 ： ： ： 王 二 i二 上二 二 j 粱纵向位 置 m 图 8 自重 作用下 曲线 梁扭转角 沿跨径的变化 图 9 图 1 0给出了跨中截面顶底板的正应力 沿曲线箱梁径 向的分布情况 。 2 4 _ 0 2 3 一0 2 2 j 一 0 2 1 罾一 0 2 0 0 1 9 1 8 0 1 7 0 顶板宽度 珈 图 9 自重作 用下跨 中截面 顶板正 应力分布 _ 0 乱 堙 n m 惦 似 n n n n n n n n n n n n I 耀 霍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 l 2月第 1 2 期 _ ， L _ L ， _ ： ： _ ： ： ： ： 一 1 ： ： 一 i r ： J ： ： ： ： J ： i i r ： ： 、 、0 1 _ l - 一 -1 ： ： l 7 一 ： ) 0 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 1 底椒 宽度 m 图 1 0 自重作 用下跨 中截面 底板正应力分布 从图中可 以看 出，同直线箱梁顶底板 的正应 力沿横桥向的分布状态不同，曲线箱梁的应力分 布要复杂得 多 ， 应力 分布不规则 ， 顶底板 内外侧应 力相差明显 。跨 中截面顶板 内侧压应力 比外侧约 大 2 3 4 ，底 板 内侧拉 应力 要 比外侧 拉 应力 大 1 6 0 。截面顶底板正应力 内外侧有 明显差距 ， 自 重作用下曲线箱梁截面的翘 曲现象显著。 图 1 1给出了自重作用下跨中截面腹板正应力 沿高度 的分布情况。图中可以看出 ， 内外腹板都是 下侧受拉上侧受压 ，由于翘曲和畸变均在截面上 产生反对称线性分布 的正应力 ，且 自重作用下 曲 线梁外翻产生向外 的扭矩 ，所以内侧腹板下部 的 拉应力大 于外侧腹板下部 的拉应力 ，内侧腹板顶 端的压应力小于外侧 腹板顶端 的拉应力 ，且 内外 两侧 的正应力差基本上呈直线分布。 图 1 1 自重 作用下跨 中截面腹板正应 力分布 通过 以上分析可知 ，在 自重作用下预应力混 凝土曲线箱梁弯扭耦合 、 翘曲现象 比较明显， 截面 应力沿径 向分布不均匀 ；自重作用对预应力混凝 土曲线箱梁抗倾覆性不利影响 比较 明显 。 5 预应 力作用 下结果分析 预应力混凝土 曲线箱梁桥布置在 内外腹板 中 的预应力钢束具有竖 向和径 向双向曲率 ，预应力 荷载沿梁体呈空间力系分布，包括空间三个方向 即切向、 径 向和竖向的分布力和分布力矩 。预应力 的径 向分力使腹板受力不利 ，预应力形成 的剪力 和径 向力产生绕截面形 心轴 的扭矩 ，也对 曲线箱 梁受力不利。 图 1 2给出了预应力作用下 ，曲线预应力混凝 土箱梁桥位移沿纵 向和径向的变化情况 。从 图中 可 以看 出，底板 内侧的上拱值要大 于外侧 的上拱 值 ， 说明在预应力作用下梁体有产生外翻的趋势； 同时 ， 底板上拱值沿截面径 向非线性 分布 ， 外腹板 箱 眼侧底 板上 拱要 大于 内腹板 箱 眼侧底 板上 拱 值 ， 预应力产生的翘 曲现象 明显 。 。 ： q l 4 截面上 拱 一1 ， R 赫 而 牡 一 “ 4 ， 一 十一 - 底板宽度 堋 图 1 2 预 应力作用下底 板位移分布 图 l 3 图 1 4给出了预应力作用下 ， 跨 中截面 顶底板 的正应力沿曲线箱梁径向的分布情况 。 _ 0 7 0 _ 0 6 5 昌 一 0 6 0 _ n 5 5 一 O 5 0 _ 0 4 5 0 4 o i 。 i 1 0 0 0 4 0 8 1 2 1 6 2 0 2 4 项板宽度， m 图 1 3 预应 力作用下跨 中截 面顶板正应 力分布 一 1 6 8 _L 6 4 奢 60 1 5 6 世 1 5 2 一1 鹳 1 4 4 ： r -， ， 、 ： _ ； 匏 明勰” 踮 料 毖 培 。 H 挖 加 n 0 0 O 0 0 O 0 嚣 _一 世 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 1 2 月第 l 2 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 5 9 侧 压应力大 1 6 2 ， 截面翘 曲现象突出。 图 1 5 给出了预应力作用下跨中截面腹板正应 力沿高度的分布情况 。从 图中可 以看 ， 内外腹板沿 高度方 向全部受压 。由于预应力作用下 曲线梁外 翻产生 向外 的扭矩 ，所 以内侧腹板沿高度方 向的 压应力均大 于外腹板 的压应力 ，且 内外两侧 的正 应力差基本上呈直线分布 。 图 1 5 预应力作 用下跨 中截面腹板 正应力分布 通过以上分析可知， 在预应力荷载作用下， 预 应力混凝土曲线箱梁弯扭耦合 、翘曲现象比较明 显 ， 截面应力沿径 向分布不均匀 ； 预应力荷载对预 应力 混 凝土 曲线 箱梁 抗倾 覆性 不 利影 响 比较 明 显 。 6 复合荷载作用下的结果分析 曲线箱梁 桥 由于 曲率半径 的影响不仅在 自重 及预应力作用下会产生耦合扭矩，即使在通过剪 切中心的外荷载作用下也会产生耦合扭矩。因此 ， 以下将分析在外荷载、 自重、 预应力共同作用的复 合荷载状态下 ，预应力混凝土曲线箱梁截面的应 力分布情况。 图 l 6所示的模 型中荷载作用位置为距离中支 点 2 3 m两腹板位置 ， 为了消除应力集 中对截 面应 力 分布的影 响 ，建模 时在加载位置建立 了两个混 凝土块 ，并将集中荷载转化成节点荷载作用于加 载混凝土块上。 图 1 6加 载位置 示意图 图 l 7给出了复合荷载作用下，预应力混凝土 曲线箱梁桥的竖向位移分布情况。从图中可以看 出， 在复合荷载作用下 ， 梁体从内侧到外侧的竖向 挠度基本上呈直线增加。跨 中截 面外侧位移要 比 内侧位移大 3 1 5 ；预应力 混凝 土曲线箱梁在荷 载作用下 ， 易产生外翻现象 ， 因此 ， 在设计中应该 引起注意 ， 防止外 翻落梁 。 0 0 0 1 0 2 n 3 n 4 0 5 n 6 n 7 0 8 0 9 1 0 1 1 1 2 底板宽度 m 图 1 7 复合荷载 作用下底板 位移分布 图 1 8 图 1 9给出了复合荷载作用下 ， 跨 中截 面顶底板的正应力沿曲线箱梁径向的分布情况。 从图中可以看出，在复合荷载作用下截面正应力 分 布与 自重 及预 应力 作用 下 的分布 规律 基本 相 同 ， 总体趋势都 是内侧应力大于外侧应力 ， 不 同的 是在复合荷载作用下截面应力变化拐点增多 。 _ 4 4 墨- 4 2 _R j - 4 0 一 3 8 3 6 3 4 7 - - ， 、 、 、 _ 、 0 0 0 4 0 8 1 2 1 6 2 0 2 4 顶板宽度 m 图 1 8 复合荷载 作用下跨 中截面顶板 正应 力分 一 、 、 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 L 2 底板宽度 叩 图 1 9 复合荷 载作用下跨 中截面底板正 应力分布 6 4 2 0 8 6 4 4 4 4 3 3 日 鱼 逍 世 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 桥梁结构 城 市道桥与防 洪 2 0 1 3 年 1 2 月第 1 2 期 图 2 0给出了复合荷载作用下跨 中截面腹板正 应力沿高度的分布情况。从图中可以看出， 内外腹 板沿高度方向上侧受压 ， 下侧受拉 。曲线梁外翻产 生向外 的扭矩 ，所以内侧腹板下部的拉应力大于 外侧腹板下部的拉应力 ，内侧腹板顶端的压应力 小于外侧腹板顶端的拉应力 ，且 内外两侧 的正应 力差基本上呈直线分布。 0 、： ： n 2 0 、 目桁 商 十I 、 、 一 O 、 、 一 腥仪 r 左 o 1 b 、 _， 产 厦 竖 O 0 S一 、 龄 、 0(3 0 j 、 2 0 1 6 一l _ 2 - 0 8 0 4 0 0 n 4 0 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 腹板 正应 力 M P a 图 2 0 复合荷载作 用下跨 中截 面腹板正应 力分布 通过以上分析可知， 在复合荷载作用下， 预应 力混凝土曲线箱梁弯扭耦合、 翘曲现象比较明显， 截面应力沿径 向分布不均匀 ； 自重 、 预应力和外荷 载的共 同作用对预应力混凝土 曲线箱梁抗倾覆性 不利影 响比较 明显。 7 结论 本文基于通用有限元程序建立 空间有 限元模 型 ， 对预应力混凝 土曲线箱梁桥在考虑畸变 、 翘曲 等影响下的截面应力及变形进行分析，得出以下 结论 ： ( 1 ) 在 自重 、 预应力及 外荷 载分别作用 下 ， 预 应力混凝土曲线箱梁弯扭耦合 、翘曲现象均比较 明显 ， 截面应力沿径向分布不均匀 。 ( 2 ) 在 自重 、 预应力 及外荷 载分别作用 下 ， 预 应力混凝 土曲线箱梁顶底板应力 总体呈 内侧大外 侧小的分布规律， 底板外侧位移大于内侧 ， 梁体均 呈现外 翻的趋势 。 ( 3 ) 自重 、 预应力及外荷载对预应力 混凝 土曲 线箱梁抗倾覆性不利影响均 比较明显 ，设计 时应 予 以充分考虑。 参考文献 I 1 王钧利 曲线 箱梁桥 的病害 分析及设计 对策 j 1 中外 公路 ，2 0 0 5 ， 2 5f 4 1 ： 1 0 2 -1 0 5 2 杨党旗， 崔飞 独墩单铰支座曲线梁桥通病分析及治理f J 城市 道桥与防洪 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 3 5 3 8 建泰高速路通车福州 4 5 h可到建宁 建( 宁) 泰( 宁) 高速公路近 日通车试运 营， 福州市民驱车 4 5 h即可抵达建宁 ， 往来江西也将更方便 。福 建省还有 7个县将在 2 0 1 5年前通高速 ， 届时将实现 县县通高速” 。 建泰高速路全长 8 0 2 3 k m， 4车道 ， 设计 时速 8 0 k m h ， 沿线桥隧众多 ， 共有大 、 中桥梁 3 0座 ， 涵洞通 道 1 3 0座 ， 隧道 5 5座。 建泰高速路起于福银高速公路泰宁县朱 口镇 ， 与福银高速公路相连 ， 经泰宁县音 山 、 南溪 、 大 田和建 宁县溪 口、 王元 、 里心 、 黄埠 ， 止于建宁县船顶隘( 闽赣界) 。全线设泰宁 、 泰宁寨下 、 建宁和建宁里心等 4个 收费站和闽江源服务 区。通行费收费标 准为 ： 一类车 0 6 0元 车公里 ， 二类车 1 2 0元 车公里 ， 三类车 1 6 8元 车公里 ， 四类车 1 8 0 元 车公里 ， 五类车 2 1 0元 车公里。 目前福州市民驱车前往建宁， 经福银高速抵达泰宁后 ， 再沿省道 2 0 5 线前往建宁， 全程约 5 5 h 。今 后 ， 市民到泰宁后， 可直接进入建泰高速， 4 5 h即可抵达建宁。建泰高速还与济( 南) 广( 州) 高速相接， 市民 经建泰高速进入济广高速 ， 前往江西也将更加方便 ， 打通了浙江 中部地区经福建省往江西等内陆省份的 一 条便捷通道 。 此外 ， 近期漳州招银疏港高速公路也将建成通车。随着年底再一批高速公路建成 ， 全省通车里程将突 破 4 0 0 0 k m， 届时 9 3 的县城( 7 8 个) 将实现 1 5 m i n内上高速公路， 福州至各设区市 3 h交通经济圈将形 成。 目 前 ， 福建省还有寿宁、 古田、 柘荣、 平和、 光泽、 顺昌、 华安等 7 个县暂未通高速， 其中平和在 2 0 1 3 年 底、 其他 6 县将在 2 0 1 5年底前通高速， 届时福建省将实现“ 县县通高速” 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m