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1、支承方式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力性能的影响研究156科技研究城市道桥与防洪2010年l2月第12期支承方式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力性能的影响研究杨爱民-,卢文锋,刘泉,李茂奇z(1.中国市政工程华北设计研究总院,天津市300074;2.东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040)摘要:由于构造方面的原因,曲线桥存在弯一扭耦合1作用,由于小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥曲率半径较小,其弯一扭耦合作用更加明显,为了讨论和验证支座的布置方式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力的影响.该文通过改变小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥支承方式,采用粱格法来建立有限元模型分析支承方式对小半径鱼腹式连续曲
2、线箱梁梁桥纵向弯矩,扭矩和支座反力的影响.数据表明,双支座可以有效减小小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥的扭矩,可以使内,外侧支座的支反力趋于相等,使小半径鱼腹式梁桥受力更加合理,但是对纵向弯矩的影响较小.该文的结论对今后的设计工作有一定的指导意义.关键词:小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥;弯一扭耦合;支反力;静载试验;抗扭性能中图分类号:U441+.5文献标识码:A文章编号:10097716(2010)120156030前言改革开放以来,随着我国民经济的持续快速发展,高等级公路及城市道路建设的发展,社会对交通设施的需求量也随之加大,交通运输业蓬勃兴起.曲线桥回因布置灵活,受场地限制较小等特点得到了广泛
3、的应用,已经成为高速公路,立交桥梁和高架桥梁中的一种不可或缺的重要桥型.这些立交桥和高架桥不仅缓解了所在城市的交通,而且还增添了所在城市的环境美观,成为一道亮丽的风景线,满足安全美,功能美,结构美,经济美,视觉美,环境美的要求.高等级公路在路线线形方面要求越来越高,在公路建设中,除特大桥梁外,一般要求桥梁的平面布置服从公路线形,在进行平,纵,断面三方面综合设计时,应做到平面流畅,纵坡均衡,横断面合理.由于受地形,地物和占地面积的影响,在城市中立交桥往往受到用地面积的限制,所以曲线桥多为小半径的曲线梁桥,行车速度小的特殊桥梁平曲线半径可达到25ml3j.在曲线梁桥下部结构设计时,为减少占用士地,
4、改善下部结构布局,增加视野和桥形美观,其下部墩柱往往采用独柱支承方式,这种形式的曲线梁桥受力状态较为复杂,支承方式的选择x/J,半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥的受力影响较大.1不同支承方式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力性能的影响1.1工程概况某小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥设在一圆收稿日期:20100727作者简介:杨爱民(1975一),女,湖南人,工程师,从事道路桥梁设计研究工作.曲线上,曲线半径R=75m.单孔跨径为25m,孔跨布置为425m+325m+325m,共三联十跨,桥长250m.取边跨一联三跨为研究对象,平面布置见图1.主梁截面形式采用高1.8m的鱼腹式普通钢筋混凝土连续箱梁,为单
5、箱五室,主梁横断面见图2.桥墩形式为独柱式桥墩,桥墩截面为底部两圆相交,向上横向呈酒杯状扩展,桥梁支承形式见图3.桥面宽度:12m+2m0.5m防撞墙.设计荷载:汽车:城一A级,人群:4kN/m.图1桥梁横断面图图2主梁横断面图(单位:12m)采用梁格法I5J【6_进行建模,全桥共分成213个单元,其中120个纵梁单元和93个横梁单元.桥梁平面有限元模型见图4.采用两种支承方式,一种是所有支座均为双支座,另外一种是曲线桥两端是双支座,跨中为单支座,现在考察这两种支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力性能的影响.具体支承情2010年l2月第12期城市道桥与防洪科技研究157图3桥梁支承情况图
6、(单位:cm)图4桥梁平面有限元模型况见图5,图6.分别考察汽车荷载和恒载作用下的影响,汽车荷载模拟城一A级.以边肋为例考察不同支承形式对受力的影响,分别取端支点处,1/8跨,1/4跨,3/8跨,1/2跨,5/8跨,7/8跨,边支点,1/8跨,1/4跨,3/8跨,1/2跨等几个位置作为测点.图5中墩为双支座支承形式图1.2不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥纵向弯矩的影响首先,考察不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥纵向弯矩的影响,通过建立模型,图6中墩为单支座支承形式图可得在汽车荷载作用下,不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线梁桥纵向弯矩的影响情况见图7;在恒载作用下,不同支承形式
7、对小半径鱼腹式连续曲线梁桥纵向弯矩的影响情况见图8.昌Z趔静厘各点位置+单支座+双支座图7活载作用下的纵向弯矩值图+单支座+双支座图8恒载作用下的纵向弯矩值图由图7可知:在汽车荷载作用下,边支点处的弯矩值变化较大,采用单支座时的纵向弯矩值是采用双支座时弯矩值的2.0倍,除边支点处纵向弯矩值变化较大以外,中间独柱墩采用双支座和采用单支座对其他各点纵向弯矩值的影响非常小,差值均在5%以内.由图8可知:在恒载作用下,中间独柱墩采用双支座和采用单支座对其他各点纵向弯矩值的影响非常小,变化值均在5%以内.158科技研究城市道桥与防洪2010年l2月第l2期所以,中问独柱墩采用双支座还是采用单支座对小半径
8、鱼腹式连续曲线箱形梁桥纵向弯矩值的影响较小.1.3不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥扭矩的影响然后,考察不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥扭矩的影响,在汽车荷载作用下,不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线梁桥扭的影响情况见图9;在恒载作用下,不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线梁桥扭矩的影响情况见图10.+单支座+双支座图9活载作用下的扭矩图.一图10恒载作用下的扭矩图由图9可知,在汽车荷载作用下,除中支点处采用双支座时的扭矩值小于采用单支座时的扭矩值外,其他各点采用单支座时的扭矩值明显大于采用双支座时的扭矩值,单支座时的扭矩值是双支座时扭矩的1.3-2.7倍,这是由于采用双支座时
9、,双支座可以大大减小小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥的弯一扭耦合作用.在3/4边跨和7/8边跨处,采用双支座时的扭矩值大于采用单支座时的扭矩值,这是由于双支座的约束作用,扭矩值不能通过支座向桥墩传递,而是向主梁的两端传递,使得扭矩值发生了一个偏位.由图10可知,在恒载作用下,边跨各点采用单支座时的扭矩值明显大于采用双支座时的扭矩值,但是中支点处的扭矩值有一个突变.这是由于采用单支座时,由于小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥存在明显的弯一扭耦合作用,使得外梁出现超载现象,扭矩变化明显.所以,采用双支座可以大大减/J,/JN半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥的弯一扭耦合作用,使其受力均衡,变化平缓,有效避免出现过大
10、的扭矩值.1.4不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥支座受力的影响最后,考察不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥支座受力性能的影响,不同支承情况下端部支座反力值见表1.表1不同支承时支座反力情况表(单位:kN)由表1可知,单支承形式有单支座变成双支座时,外梁侧支座的支反力由4090kN减小为3830kN,减小了6.4%,内梁侧支座的支反力由1280kN增加到1540kN,增加了20.3%,但是内外支座的支反力和相等;采用双支座时,端支承处的内,外支座反力值之差小于采用单支座时端支承处内,外支座反力值之差.采用单支座时中墩支座的反力为14000kN,小于采用双支座时内外支座之和为67
11、20kN+7290kN=14010kN,但是差距不大.通过以上数据可以看出,采用双支座并不能减小支座反力,只是将外侧支座的支反力减小,内侧支座的支反力增加,使得内,外支座的受力相差越来越小,避免出现过大的外梁超载,内梁卸载现象,避免内侧支座出现拉应力.除了采用双支座可以减小内梁卸载,外梁超载现象外,还可以采用对单支座预设偏向的方式,是小半径鱼腹式连续箱形梁桥受力合理.2结论从上面分析可以得出以下结论:(下转第166页)166成果应用城市道桥与防洪2010年l2月第12期粘结作用.3加铺层结构设计旧水泥混凝土路面上加铺沥青层,如何防止反射裂缝的产生是加铺层成败的关键.由于城市道路交通情况,施工时
12、不能全封闭交通,而且封闭时间应尽可能短,因此要选择既能缩短工期,又能保证工程质量的路面施工方案.现提供目前应用较多的两种典型方案供探讨.(1)方案一:沥青玛蹄脂碎石SMA上面层:4cm厚改性沥青玛蹄脂碎石SMA一13;下面层:5cm厚中粒式沥青混凝土AC一16;改性乳化沥青粘层油(用量为0.40.6kg/mz);玻璃纤维土工格栅;旧混凝土路面(修复完善).此方案的优点是玻璃纤维土工格栅能有效地防止反射裂缝向面层扩散,沥青粘层油能加强沥青层与水泥混凝土层的粘结.整体性能表现为有良好的级配结构,路面耐久性好,抗变形能力强,抗滑性能优越.(2)方案二:橡胶沥青混凝土上面层:4cm厚橡胶沥青混凝土RA
13、C;1cm橡胶沥青应力吸收层;改性乳化沥青粘层油(用量为0.40.6kg/m.);旧混凝土路面(修复完善).此方案的优点采用了橡胶沥青应力吸收层与橡胶沥青混凝土的组合形式,一方面增强整个结构抗反射裂缝的效果,另一方面提高了路面的抗疲劳开裂性能及抗车辙能力,提高了路面的耐久性.路面更加美观,舒适性更好,降低路面噪音较明显.加铺层的设计中要考虑到道路路面类型,结构层次和组成材料的选择,应依据城市道路等级,交通繁重程度,环境条件,施工考虑,寿命周期,资金筹措等因素综合考虑.4改造中需着重解决的问题(1)防反射裂缝路面反射裂缝成因主要是由于旧路面裂缝处相对位移产生的应力传到沥青罩面,接缝处的沥青面层反
14、复拉伸错动产生疲劳损坏,从而使该处发生断裂.反射裂缝本身对沥青面层的使用性能影响不大,但在环境因素的影响下,如雨水下渗等,路面裂缝向四周扩散,缩短了道路面层的使用寿命.目前有效地解决反射裂缝的方法有加铺高强度纤维或橡胶应力吸收薄膜及提高路面沥青混凝土抗拉性能以提高其疲劳强度.(2)防水路面防水需着重解决的地方是路面接缝,裂缝处.水分从这些地方渗入路基,对道路产生破坏,因此做好防水处理十分关键.常采用的处理措施是对产生的路面接缝,裂缝进行灌缝,填缝处理,加铺防水卷材等.(3)防车辙路面车辙这种病害和疲劳开裂,低温及反射开裂一起成为沥青路面的主要损坏形式之一,它不仅影响行车舒适性,也会大大降低路面
15、的使用寿命.因此,十分有必要确定合理的路面结构及厚度等.5结语在进行旧水泥混凝土路面白改黑设计时,采用理论与实际相结合的方法,先调查和评价现状水泥混凝土路面情况后,根据实际情况对其处理.然后根据城市道路等级,交通情况等因素综合考虑,合理确定沥青加铺层结构.其改造过程中需重点考虑怎样防止水泥混凝土路面板缝出现反射裂缝,防止水分渗透,提高沥青面层混合料的高温抗车辙性能,低温抗裂性能及水稳定性能等,合理确定路面结构及厚度等.随着城市道路白改黑应用的推广及经验的积累,将会使这项技术更加走向成熟,推动技术向前发展.专?寺?夺?夺?夺?牵?夺?夺?夺?夺?夺?夺?夺?幸?辛?争?夺?夺?幸?专?争?寺-?
16、夺?夺?争?:>?毒?寺?孛?,?孛?夺?寺?夺?夺?(上接第158页)(1)全桥采用双支座可以有效减小扭矩值,但是对纵向弯矩值影响不大.(2)全桥采用双支座不能减小支座的支反力之和,只是使内梁支座的支反力增加,外梁的支反力减小,支反力重新得到了分配.参考文献1范立础.桥梁工程MI.北京:人民交通出版社,2007.3622高岛春生,等.斜梁桥M】.中国建筑工业出版社,1978.8189.【3新建武汉站工程车站建筑施工图设计z】.中铁第四勘察设计院集团有限公司,2009.【4】孙全胜,李茂奇./J,半径曲线桥抗扭性能静载试验研究【J】.公路2009(12):43-47.【5EdmundC.Halnby.BridgeDeckBehaviourM.London,ChaPmanallHallLtd.1976.1-89.【6】戴公连,李德健.桥梁结构空间分析设计方法与应用IM.北京:人民交通出版社,2001.1537.