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曲線連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工過程分析

瀏覽: 作者: 來源: 時(shí)間:2023-05-08 分類:優(yōu)秀論文
綜上所述,懸臂施工的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋梁橋,在其自重作用下的變形主要發(fā)生在懸臂施工階段,邊跨合攏階段中跨合攏階段和二期恒載作用下變形比較小,且其內(nèi)外弧側(cè)撓度差也比較小

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工過程分析

錢 立

(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院,四川成都 610081)

 

摘  要:文章利用空間有限元分析了曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中的內(nèi)力和變形,對(duì)平面曲線上修建連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋提供了若干建議,供實(shí)際設(shè)計(jì)中參考。

關(guān)鍵詞:平面曲線;連續(xù)剛構(gòu)橋;內(nèi)力;變形

中圖分類號(hào): U44      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

   1 簡(jiǎn)介

       本文就曲線連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋的空間受力情況及其主要的影響因數(shù)進(jìn)行了分析,并提出了一些具體的設(shè)計(jì)建議。

       在計(jì)算分析中,本文以跨徑為45m+75m+45m的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槟P?,結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)如下:箱梁頂板寬12m,懸臂2m。頂板厚度25cm;頂板厚度30-60cm,按直線變化;腹板厚度50cm。箱梁高度從根部處的4.2m變化到跨中的1.8m,底板高度按R=195.002m的圓曲線變化。為簡(jiǎn)化起見,在建模中未考慮梗掖部分的影響,截面形式見圖1。

 

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圖1 主梁截面示意圖/cm

       建模采用四節(jié)點(diǎn)殼單元。單元可以承受平面荷載和法向荷載,每個(gè)單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度,單元可以定義為變厚度。為了得到較好的分析結(jié)果,在進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí),盡量使單元尺寸較接近,全橋主梁截面共劃分為900個(gè)單元。

 建模分析時(shí),橋梁曲率半徑分別按200m、300m、400m、500m分析比較。同時(shí)墩高分別按為55m、27.5m和不考慮墩高的影響進(jìn)行比較。

 為了便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較,本文選取了箱梁根部截面作為應(yīng)力計(jì)算截面,施工過程的最大懸臂端部截面作為位移計(jì)算截面。

 

2 影響撓度的主要因素

 

(1)曲率的影響

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在懸臂施工時(shí),由于彎扭耦合效應(yīng),截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,過大的扭轉(zhuǎn)角造成箱梁截面內(nèi)、外緣的撓度差值較大,不容忽視。施工分析中取墩最大懸臂的情況。圖2到圖3所示為最大懸臂狀態(tài)及二期恒載階段曲率半徑對(duì)梁體變形的影響(墩高為55m )

從圖2中可以看出,在恒載作用下,曲線橋最大懸臂狀態(tài)的撓度比同跨徑直線橋大,箱梁向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)。當(dāng)曲率半徑減小時(shí),箱梁的扭轉(zhuǎn)角增大,截面內(nèi)外緣的撓度差值明顯加大。當(dāng)曲率半徑為500m時(shí),截面內(nèi)外側(cè)的撓度差為0.21cm;曲率半徑為200m時(shí),撓度差為0.52cm

 

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圖3 二期恒載作用下最大懸臂處底板截面位移

表1列出了各種半徑的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在邊跨合攏階段、中跨合攏階段相應(yīng)截面產(chǎn)生的撓度,這些階段的撓度均遠(yuǎn)小于懸臂狀態(tài)產(chǎn)生的撓度,曲線橋內(nèi)外側(cè)撓度差較小。

表1 邊跨和中跨合攏階段最大懸臂處底板截面位移/mm

曲率半徑      /m

邊跨合攏階段


中跨合攏階段

底板外緣側(cè)

底板內(nèi)緣側(cè)


底板外緣側(cè)

底板內(nèi)緣側(cè)

R=200

5.56

5.44


-4.85

-4.75

R=300

5.46

5.39


-4.79

-4.72

R=400

5.43

5.37


-4.77

-4.72

R=500

5.41

5.36


-4.75

-4.72

直線橋

5.36

5.36


-4.72

-4.72

在邊跨合攏階段自重作用下,中跨最大懸臂處截面產(chǎn)生向上位移,箱梁梁體在中跨仍然向內(nèi)扭轉(zhuǎn);梁體在邊跨向外扭轉(zhuǎn)。在中跨合攏時(shí),箱梁梁體發(fā)生向外弧側(cè)的扭轉(zhuǎn),但截面內(nèi)外緣的撓度差較小。由圖3所示,在二期恒載作用下,曲線橋向外扭轉(zhuǎn),與懸臂施工時(shí)相反,但扭轉(zhuǎn)角很小。

綜上所述,懸臂施工的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋(梁)橋,在其自重作用下的變形主要發(fā)生在懸臂施工階段,邊跨合攏階段、中跨合攏階段和二期恒載作用下變形比較小,且其內(nèi)外弧側(cè)撓度差也比較小。另外,在合攏之前,箱梁存在向內(nèi)弧側(cè)扭轉(zhuǎn)的變形,而一旦合攏后及二期恒載作用下則發(fā)生向外弧側(cè)扭轉(zhuǎn),是有利于減小箱梁扭轉(zhuǎn)變形的。

(2)墩高的影響

在連續(xù)剛構(gòu)橋中橋墩一般采用雙薄壁柔性墩的形式。雙薄壁墩雖然減小了墩在順橋向的剛度,但同時(shí)也相應(yīng)減小了橫橋向的剛度。對(duì)于直線橋,施工過程中箱梁沒有扭矩產(chǎn)生,橋墩橫橋向剛度的減小對(duì)主梁變形影響較小。但曲線橋梁在自重作用下將發(fā)生扭轉(zhuǎn)。從而使橋墩產(chǎn)生橫橋向的彎曲。所以,橋墩橫橋向剛度的減小將會(huì)加大梁體的扭轉(zhuǎn)變形。

表2列出了曲率半徑為200m、300m、400m和500m時(shí),上述5種情況箱梁內(nèi)外弧的撓度差。由表2可見,一方面,隨曲率半徑的增大,變形值變小,另一方面當(dāng)橋墩的剛度增大時(shí),箱梁內(nèi)外弧的撓度差也可以得到改善,當(dāng)采用變截面后提高了橋墩的橫向剛度,梁體內(nèi)外側(cè)的撓度差減小,梁體的扭轉(zhuǎn)程度得到控制。

表2 不同橋墩情況下最大懸臂截面變形值/cm

橋墩情況

曲率半徑

R=200

R=300

R=400

R=500

橋墩情況1

底板外緣

-7.93

-7.82

-7.79

-7.78

底板內(nèi)緣

-8.31

-8.08

-7.99

-7.94

橋墩情況2

底板外緣

-8.10

-7.98

-7.95

-7.95

底板內(nèi)緣

-8.62

-8.33

-8.22

-8.16

橋墩情況3

底板外緣

-8.59

-8.45

-8.42

-8.41

底板內(nèi)緣

-9.34

-8.96

-8.80

-8.72

橋墩情況4

底板外緣

-8.06

-7.95

-7.92

-7.91

底板內(nèi)緣

-8.47

-8.23

-8.13

-8.08

橋墩情況5

底板外緣

-7.76

-7.66

-7.64

-7.63

底板內(nèi)緣

-7.99

-7.82

-7.76

-7.72

 

3 施工過程截面應(yīng)力的變化情況

 

在施工過程中,懸臂根部截面為最不利受力截面,所以選擇懸臂根部截面進(jìn)行比較。

表3列出了最大懸臂狀態(tài)時(shí),懸臂根部處截面頂板的正應(yīng)力變化。邊跨合攏段和中跨合攏段對(duì)墩頂截面產(chǎn)生的應(yīng)力值很小,本文中未列出。為尋求規(guī)律,以R=200m、R=300m、R=400m、R=500m和直線橋情況建立計(jì)算模型,墩高為55m。從表3可知,懸臂根部截面頂板承受負(fù)彎矩和扭矩,頂板截面正應(yīng)力為拉應(yīng)力,其內(nèi)弧一側(cè)的拉應(yīng)力在懸臂根部截面大于外弧一側(cè)的應(yīng)力值。隨著向懸臂端部延伸,截面的扭矩逐漸減小。截面內(nèi)外弧的應(yīng)力差值也隨之減小。同時(shí)隨著曲率半徑的減小,截面頂板正應(yīng)力的不均勻程度逐漸加大。在懸臂根部處正應(yīng)力差值由0.62MPa增大到1.55MPa。這表明了隨著曲率半徑的減小,曲線橋的彎扭耦合效應(yīng)增大。

表3 最大懸臂狀態(tài)時(shí)根部截面頂板正應(yīng)力值/MPa

施工階段

位置


曲率半徑


200m

300m

400m

500m

直線橋

最大懸臂階段

外緣


-7.07

-7.34

-7.47

-7.55

-7.86

內(nèi)緣


-8.62

-8.37

-8.25

-8.17

-7.86

二期恒載作用

外緣


-1.66

-1.67

-1.67

-1.67

-1.67

內(nèi)緣


-1.69

-1.68

-1.68

-1.68

-1.67

 

從表4可知,在自重作用下,懸臂根部截面底板正應(yīng)力為壓應(yīng)力。與頂板正應(yīng)力同樣是內(nèi)弧側(cè)的正應(yīng)力大于外弧側(cè)的應(yīng)力值。同樣隨著曲率半徑的減小,截面底板正應(yīng)力的不均勻程度也逐漸加大。在懸臂根部處正應(yīng)力差值由1.58MPa增大到3.95MPa。其不均勻程度較頂板更為嚴(yán)重。曲線橋的彎扭耦合效應(yīng)對(duì)底板應(yīng)力的影響更大。

表4 最大懸臂狀態(tài)時(shí)根部截面底板正應(yīng)力值/MPa

施工階段

位置


曲率半徑


200m

300m

400m

500m

直線橋

最大懸臂階段

外緣


5.74

6.40

6.73

6.92

7.71

內(nèi)緣


9.69

9.03

8.70

8.50

7.71

二期恒載作用

外緣


1.58

1.57

1.57

1.57

1.55

內(nèi)緣


1.54

1.54

1.54

1.55

1.55

在二期恒載作用下,根部截面的應(yīng)力分布比較均勻與直線橋相差微小。主要是應(yīng)為二期恒載較主梁自重小,且成橋后,主梁的抗扭剛度已經(jīng)增大。

 

結(jié)語

 

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中的變形控制是關(guān)鍵,懸臂階段梁體變形占了梁體自重變形的絕大部分。二期恒載作用下,梁體的變形比較小,且與直線橋相差不大。由于施工過程中梁體的變形既有撓度又有扭轉(zhuǎn),且具有不可恢復(fù)性,所以控制施工過程中的變形,特別是懸臂施工階段的變形,對(duì)確保成橋線性至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)和施工,需要考慮設(shè)置撓度和扭轉(zhuǎn)角預(yù)拱度。成橋后,梁體的抗扭剛度較懸臂施工階段大,曲率對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響不如懸臂階段明顯。

從前面的分析中可以看出影響梁體的扭轉(zhuǎn)變形的主要因數(shù)是曲率半徑的大小和墩的橫向剛度。曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在合攏的過程中扭轉(zhuǎn)將導(dǎo)致在合攏時(shí)梁體空間位置的偏差,若在施工過程中對(duì)多個(gè)懸臂T構(gòu)的扭轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)不夠,將難以保證梁體在容許誤差范圍內(nèi)合攏,不但增加了施工的難度,而且將影響成橋線性。

與一般的曲線梁橋不同,懸臂施工過程中的曲梁梁體在自重作用下呈向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn),而合攏以后則變成向外側(cè)扭轉(zhuǎn),所以在合攏時(shí)需要預(yù)留一定的向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)的變形,以抵消合攏在二期恒載作用下的梁體向外側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形。

考慮到墩橫向剛度對(duì)曲線橋扭轉(zhuǎn)變形的影響,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用較小的墩高,或在構(gòu)造上加大橋墩的橫向剛度,如采用變截面,以保證在橫向剛度增加的同時(shí),不過大影響縱向剛度的措施,也是一種可行的辦法。