欧定福,邓喜昌
(1.江苏省交通技师学院,广西 南宁 212006;2.广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530001)
现浇整体式斜交板梁桥的设计注意事项分析
欧定福1,邓喜昌2
(1.江苏省交通技师学院,广西南宁212006;2.广西路桥工程集团有限公司,广西南宁530001)
欧定福(1982—),男,工程师,主要从事工程设计施工管理工作。
摘要:文章以实际工程为研究背景,用MIDAS有限元软件对整体式斜交板进行建模分析,并依据计算分析结果,从斜交板的受力特征对支座布置的影响、加载不同的支座约束模拟边界条件对支反力计算结果产生的不同影响、斜交板的配筋注意事项和斜交板的受力特点对桥梁下部墩台结构布置产生的影响四个方面,提出了斜交板桥梁设计工作中应注意的相关事项。
关键词:桥梁;斜交板;MIDAS板单元;受力特性;设计;注意事项
0引言
为了适应改善道路线形,或者当线路受到相交道路、建筑物、地下管线及其他障碍物的限制时,往往需要修建斜交桥。在某些情况下建造斜桥,不仅能使整个路线美观流畅,而且能缩短桥梁长度,节省投资和材料,提高经济效益,因此建造斜桥结构已广泛存在于高、低等级公路、城市道路和立交枢纽中[1]。
为了简化计算,《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规定:当整体式斜板桥的斜交角不大于15°时,可按正交板计算,计算跨径为:当l/b≦1.3时,按两支承轴线间垂直距离的正跨径计算;当l/b>1.3时,按顺桥向纵轴线的斜跨径计算[3]。而在大角度的斜交板梁桥的实际设计工作中,桥梁设计人员为了计算的简便性和缩短桥梁设计周期,常常忽略斜交角度对斜交板梁桥的影响而采用同等跨径的正交板进行模拟计算分析。而斜交板梁桥的受力特点和正交桥有很大的差异性。正交板梁桥的荷载传递路径与板的纵向跨径相一致,而斜交板梁桥随着板的斜交角度、宽跨比的增大,荷载有往斜交板钝角角隅处集中的趋势。基于斜交板独特的受力性能,斜交板的配筋、支座布置和选取以及其作用荷载对桥梁下部墩台布置的影响等方面是完全不同于正交板梁桥的。
桥梁设计人员只有对斜交板梁桥的受力方式有了清晰的认识和了解后,才能依据斜交板梁的受力特点进行设计。本文提出了在斜交板梁桥的设计工作中应注意的事项,以期对桥梁设计人员在斜交板梁桥的设计工作中有一个借鉴作用。
1工程概况
本桥上部结构为1x13 m(桥梁路线中心跨径)现浇整体式钢筋混凝土斜交简支板,桥梁路线平面分别位于圆曲线(R=80 m,左偏)、缓和曲线和圆曲线(R=120 m,右偏)上。本桥现浇板小桩号侧支撑边长为11.65 m(垂直距离)、大桩号侧支撑边长为10.25 m(垂直距离),现浇板厚度为0.80 m;下部结构墩台平行布置。本桥设计为双向两车道,设计安全等级为Ⅰ级,汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。
本桥现浇板平面布置如图1所示:
图1 现浇板平面布置图(单位:cm)
2现浇整体式斜交板的设计计算分析
本桥现浇斜交板路线中心跨径为13 m、中心宽度为11 m,板的宽跨比接近1∶1,现浇板厚度为80 cm,所以本现浇斜交板符合板的结构力学性能;同时本桥现浇斜交板的斜交角度较大(平均斜交角度为50°)、结构尺寸不规则,用常见的梁单元建模计算分析难以模拟结构的实际受力情况,而板单元能够很好地解决以上问题。基于以上原因,本桥现浇斜交板利用通用有限元软件Midas-Civil的板单元进行建模设计计算分析。由Midas-Civil建立的本桥板单元计算模型单元总数为350个,节点数为390个,具体模型如下图2所示。
图2 板单元计算模型图
板单元的荷载一般具有向支承边的最短距离传递分配的特点。对于正向板而言,荷载纵向传递的路径和板的跨径相一致;而对于斜交板来说,随着斜交角度、宽跨比的逐渐增大,主弯矩朝支承边的垂直方向逐渐偏转。当斜交板的宽跨比较大时,板中央的主弯矩几乎垂直于支承边;同时板的纵向最大弯矩位置,随着斜交角的增大而从跨中向钝角部位转移,所以对于斜交角、宽跨比较大的斜交板而言,板的支承反力分布很不均匀,钝角角隅处的反力会比正交板大几倍,而锐角角隅处的反力较小,甚至会出现拉力[1](如表1、表2所示)。
基于以上情况可知,斜交板的支座布置和正交板有很大的差异性。对于正向板而言,应适当多布置一些支座,支座个数越多,不仅每个支座分得的反力较小,而且也能改变现浇板的受力性能。但对于斜交板而言,支座的个数越多,反力缺集中于钝角角隅处[2]。为此,斜交角度较大的斜交板布置的支座不宜过多,支座间距也宜采用不等距布置,钝角角隅处的支座宜靠近板外侧边缘布置,锐角角隅处的支座宜靠近内侧布置。
表1 自重作用下小桩号侧板支反力数值表
表2 自重作用下大桩号侧板支反力数值表
用MIDAS对斜交板模拟计算分析的过程中,支座边界约束条件不同的加载方式,对支反力的计算结果会产生很大的影响(如表3、表4所示)。在MIDAS分析计算模型中采用桥梁设计人员常用的一般支承条件下的边界约束条件时,支反力的计算结果比实际偏大,当依据此计算结果选取支座时,会和实际情况产生一定的偏差,使得现浇板钝角角隅处的支反力更大,对板的受力状况产生更加不利的影响。按照支座的实际约束刚度把现浇板的支承边界约束条件加载到MIDAS计算分析模型中,此种方法是对斜交板支座边界约束条件的正确模拟方法,采用该种方法计算的斜交板支反力与实际情况比较吻合。对整体斜交板梁桥应优先选用厚度较大的板式橡胶支座,通过支座的竖向弹性刚度来使各支座反力分配的更加均匀一些[1]。
表3 荷载工况11下支反力计算数值表
表4 荷载工况12下支反力计算数值表
斜交板的最大纵向弯矩随着斜交角的增大而减小,一般比与斜向跨径相等的正交板要小,而横向弯矩则要大很多。在持久状况承载能力极限状态下本桥的最大纵向弯矩设计值为395.4 kn/m,最大横向弯矩设计值为222.3 kn/m,从而可知横向弯矩设计值为纵向弯矩设计值的56.2%(本桥的纵、横向弯矩设计值如下页图3、图4所示)。可见,斜交板的配筋除了要满足板的纵向弯矩的要求之外,在板的横向部位也要配置足够的受力主筋,同时为了改善板的整体受力性能,应尽量把板的纵向和横向受力主筋配置成钢筋骨架。斜交板除了纵横向的主弯矩之外,在钝角角隅处还会产生相当大的垂直于钝角平分线的负弯矩,其值随着斜交角的增大而增大[1]。所以在斜交板钝角角隅处也应配置足够多抵抗此负弯矩的主筋,斜交板此部位的受力性能明显不同于正交板,此点应引起桥梁设计人员的注意。
图3 承载能力极限状态下板梁纵向弯矩图
图4 承载能力极限状态下板梁横向弯矩图
斜交板随着斜交角度的增大,钝角角隅处的支反力会明显地增大,锐角角隅处的支反力会明显地减小,甚至会出现拉力。斜交板的此种受力特性,也会对桥梁的下部墩台产生明显的影响。此种影响会使得桥梁墩台桩基的布置偏向斜交板的钝角角隅处,使桩基间距的中心线和桥梁墩台的中心线不一致,本桥的桩基中心线和墩台中心线相差55 cm(如下图5所示)。这一点和正交板桥梁有明显的差异性,此点应引起桥梁相关设计人员的注意。
图5 0#台下部构造布置图
3结论
(1)斜交板钝角角隅处的支反力随着斜交板斜交角度、宽跨比的增大而增大,使得斜交板钝角角隅处的支反力会比正交板的大几倍,而锐角角隅处甚至会出现拉力。根据斜交板的此种受力特性,斜交板的支座布置和正交板有很大的差异性,斜交板钝角角隅处的支座应向板的外侧布置,锐角角隅处的支座应向板的内侧布置,同时支座间距宜采用不等距的布置方式。
(2)在MIDAS斜交板分析计算模型中采用不同的支座约束模拟边界条件时,对斜交板支反力的计算结果会产生较大的影响。在MIDAS斜交板分析计算模型中对支座的模拟加载应采用支座的实际约束刚度,而不能采用常规正交板梁桥中一般支承条件下的约束边界条件,否则计算的斜交板钝角角隅处的支反力会比实际支反力偏大,假如依据此计算结果选取桥梁支座,会使得成桥后斜交板的支反力向钝角角隅处更大地集中,也使得斜交板的成桥受力状况更加的不利。
(3)对斜交角、宽跨比较大的斜交板而言,斜交板的横向弯矩比同等跨径的正交板大很多,所以在斜交板的横向跨径也要配置足够的主筋。同时在斜交板的钝角角隅处还会产生相当大的垂直于钝角平分线的负弯矩,所以在斜交板钝角角隅部位处也要配置足够的主筋。
(4)斜交板独特的受力性能,使得其对桥梁墩台下部结构的布置也会产生明显的影响。此种影响会使得斜交板桥梁墩台桩基的布置偏向斜交板的钝角角隅处,使得桩基间距的中心线和桥梁墩台的中心线不一致。
参考文献
[1]刘效尧,徐岳.梁桥(第二版)[M].人民交通出版社,2011.
[2]武占科.现浇混凝土斜交板梁桥支座布置分析[J].上海公路,2013(3):37-39.
[3]JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
Design Precaution Analysis of Cast-in-place Integral Inclined Plate Girder Bridges
OU Ding-fu1,DENG Xi-chang2
(1.Jiangsu Traffic Technician College,Nanning,Guangxi,212006;2.Guangxi Road and Bridge Engi-neering Group Co.,Ltd.,Nanning,Guangxi,530001)
Abstract:With practical engineering as research background,this article used the MIDAS finite element software for the modeling analysis of integral inclined plate,and based on the results of calculation and analysis,it proposed the related precautions in the design work of inclined plate bridge from four aspects,i.e.the impact of force characteristics of inclined plates on the bearing arrangement.Different im-pact caused by loading the different bearing constraints simulation boundary conditions on the support reactions calculation results,bar-reinforcing precautions of inclined plates,and the impact generated by the mechanical characteristics of inclined plates on the pier structure arrangement at lower part of bridges.
Key Words:Bridge;Inclined plate;MIDAS board unit;Mechanical characteristics;Design;Precautions
收稿日期:2015-02-10
文章编号:1673-4874(2015)02-0045-04
中图分类号:U445
文献标识码:A
DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.012
作者简介