曲线梁桥的受力施工特点及设计方法分析

发布:2010-09-15 字体:[]

摘要:介绍了曲线梁桥的力学特性,结构分析及应注意的几点问题,施工特性及设计方法。
关键词:曲线梁桥,结构,施工
近年来,随着公路建设事业的快速发展,涉及到曲线梁的桥梁设计已经越来越多了,以往设计者希望通过调整路线方案,尽量避开这种结构形式,或由于曲线半径较大,采用以“直”代“曲”的形式,在桥梁上部(如翼缘、护栏等)进行曲线调整,以期达到与路线线形一致。这些严格意义上说都不是曲线桥。由于受原有地物或地形的限制,一些城市的立交桥梁和交叉工程的桥梁曲线半径比较小,桥墩基本上要设在指定位置,这种情况下只能考虑设计曲线梁桥。
1曲线梁桥的力学特性
1.1曲线梁的受力情况
曲线梁桥能很好地克服地形、地物的限制,可以让设计者较自由地发挥自己的想象,通过平顺、流畅的线条给人以美的享受。但是曲线梁桥的受力比较复杂。与直线梁相比,曲线梁的受力性能有如下特点: (1)轴向变形与平面内弯曲的耦合; (2)竖向挠曲与扭转的耦合; (3)它们与截面畸变的耦合。其中最主要的是挠曲变形和扭转变形的耦合。曲梁在竖向荷载和扭距作用下,都会同时产生弯距和扭距,并相互影响。同时弯道内外侧支座反力不等,内外侧反力差引起较大的扭距,使梁截面处于“弯-扭”耦合作用状态,其截面主拉应力比相应的直梁桥大得多。故在曲线梁桥中,应选用抗扭刚度较大的箱型截面形式。在曲梁中,由于存在较大的扭矩,通常会出现“外梁超载,内梁卸载”的现象,这种现象在小半径的宽桥中特别明显。另外,由于曲梁内外侧支座反力有时相差很大,当活载偏置时,内侧支座甚至会出现负反力,如果支座不能承受拉力,就会出现梁体与支座发生脱离的现象,通常称为“支座脱空”。
1.2下部桥梁墩台的受力情况
由于内外侧支座反力不相等,使各墩柱所受垂直力出现较大差距。当扭矩很大时,如果设置了拉压支座,有些墩柱甚至会出现拉力。曲线梁桥下部结构墩顶水平力,除了与直桥一样,有制动力、温度力、地震力等以外,还因为弯梁曲率的存在,多了离心力和预应力张拉时产生的径向力。墩顶水平力的分配非常复杂。在求温度零点时,曲线梁桥不能象直桥一样,只考虑一个方向力的平衡,而必须考虑两个方向的平衡;各墩顶处支座的类型和位置不一致,部分支座可能已处于临界滑移状态,其余支座还未达到临界状态;各支座的约束方向以及各墩柱不在同一平面内,使得水平力求解非常困难。
2曲线梁桥的结构分析
2.1上部结构分析
2.1.1结构力学方法
这种方法沿用杆系系统的结构力学方法。首先将弯梁视为一根曲杆,把抗扭支座以赘余扭矩代替,然后根据变形协调条件求解未知力。这种方法较简单,比较适用于分析简支弯梁和等截面且跨内为圆弧的窄桥。
2.1.2梁格法
梁格法是目前最常用的分析弯梁桥的方法。梁格法实质是用一个等效的梁格来代替桥梁上部结构,是一种以梁为基本单元的有限元法。这种方法概念明确,容易理解和使用,也比较容易操作,计算速度也比较快。现有的计算曲线梁梁桥软件,如同济大学开发的“桥梁博士”和广州阿安毕公司开发的“3DBSA”,都采用了梁格法。
2.1.3空间有限元法
空间有限元法是最有效的分析方法。这种方法常采用体单元和壳单元来模拟结构,能计算任意形状的复杂结构,特别地,它能针对结构的局部作精确分析,这是上述两种计算方法无法做到的。对于一些特殊的曲线梁桥,比如非径向支承的异型桥梁等,采用空间有限元法分析是非常有必要的。此外,如果要了解曲线梁桥的稳定与振动特性,也必须采用空间有限元法。常用的空间有限元软件有MIDAS、ANSYS、SAP2000等。采用空间有限元法的缺点是计算工作量较大,在当前情况下,采用这种方法计算,需要付出较多的时间。
2.2下部结构分析
与直桥相比,曲线梁桥下部结构分析要复杂得多。在荷载方面,曲线梁桥除了与直桥一样要承受各种外荷载,如自重、车辆荷载、温度力、地震力等,还要承受离心力、曲梁内预应力索产生的径向力等;在墩顶水平力的分配方面,由于曲线梁桥不能象直桥一样,在求温度零点时不能只考虑一个方向的平衡,而要考虑两个方向的平衡,求出“不动点(转动中心)”;由于上部结构的扭转作用,各墩的轴力有很大的差异,在确定桩长时要特别注意这种情况;此外,由于各支座约束情况不一样,也会影响到各墩内力的分配。长期以来,人们对曲线梁桥上部结构分析比较重视。就目前的情况看,有关曲线梁桥上部结构分析的专著比较多,理论也比较成熟。与上部结构相比,针对曲线梁桥下部结构的研究还不够深入。 (责任编辑:admin)
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