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平面曲线梁桥温度变形与支承体系布置探讨_图文

2005 年第 4 期

铁  道  建  筑 Railway Engineering

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文章编号 :100321995 (2005) 0420007203
 
平面曲线梁桥温度变形与支承体系布置探讨

谭万忠1 ,张佐汉2 ,柯在田3
(11 铁道科学研究院 研修学院 ,北京  100081 ; 21 铁道部科学研究院 深圳研究设计院 ,广东 深圳  518034 ; 31 铁道科学研究院 铁道建筑研究所 ,北京  100081)

摘要 :平面曲线梁桥的病害多为支承体系布置不合理而引起 ,文章介绍平面曲线梁桥温度变形的特点和 支承体系布置的原则 ,并结合实桥的监测结果 ,探讨平面曲线梁桥温度变形和支承体系布置 ,以供曲线 梁桥设计人员借鉴 。 关键词 :曲线梁桥  温度变形  支承体系 中图分类号 :U441 + 15  文献标识码 :B

0  引言
在城市立交桥与公路立交桥尤其是在立交的匝道 桥设计中 ,不可避免地要采用曲线梁桥 。近几年来 ,许 多地区的独柱混凝土弯梁桥时有事故发生 。例如天津 市某立交桥为 4 ×21 m 的四跨钢筋混凝土箱梁 , 宽 1915 m ,质量为2 400 t ,位于 R = 200 m 的平曲线上 ,纵 向坡度 318 % ,全桥共有 5 个桥墩 ,桥墩采用 Y 形墩 , 每墩设 4 个支座 ,该桥运营 11 年后发生径向 34 cm 的 横向爬移 ,沿纵坡下滑 12 cm ,造成大部分支座损坏 、墩 柱开裂等问题 。
这些问题的出现有施工原因 ,但大多为设计原因 造成的 。梁体发生失稳 ,尽管大多没有伴随梁体本身 的破坏 ,但是修复支承 、复位梁体或拆除全桥重建所花 的代价是巨大的 。
1  弯梁桥平面变形的特点和支承体系布置的 原则
111  平面变形的特点 曲线梁桥的变形是一个非常复杂的问题 ,自重 、预
应力荷载 、车辆荷载 、温度荷载等都会不同程度地影响 曲线梁桥的变形 。但处于运营阶段的曲线梁桥 ,影响 其平面变形的主要因素是温度荷载和车辆荷载 。温度 荷载中的温度均匀变化导致桥梁沿纵向均匀地位移 , 这种位移不产生结构内力 ,只有当结构的位移受到约 束时才会产生温度次内力 。沿桥梁横向也存在温度梯 度 ,新的公路规范考虑公路桥梁都带有较长的悬臂 ,两 侧腹板受太阳直接辐射较少 ,梁底终日不受日照 ,所以 只考虑梁顶全天日照 ,不再计及横桥向温度梯度的作

用[1] 。竖向温度梯度对于曲线梁桥的温度应力影响很 大[2] 。但从深圳地区实际监测的情况来看 ,横向温差 最高已达 1112 ℃,而德国规范也规定考虑横向线性温 差 5 ℃。因此笔者认为 ,对于横向温差的情况 ,应根据 桥梁所处的方位和环境情况适当予以考虑 。
另外 ,车辆荷载由于偏心和离心力等作用 ,会增强 曲线梁桥的扭转变形和向外侧滑移的趋势 。 112  支承体系布置原则
准确计算曲线梁桥的平面变形是正确设置支承体 系的前提 。在对曲线梁桥的破坏机理尚不十分清楚的 情况下 ,适当增强曲线梁桥抗扭转能力和采取径向限 位措施 ,是保证曲线梁桥安全运营的一种有效方法 。 曲线梁桥正 确 的 支 承 体 系 布 置 一 般 应 遵 循 以 下 原 则[3 ,4] : ①切向对称中心点处桥墩设固定支座 (相应桥 墩处受力较大) 或设切向固定 、径向允许位移的单向固 定支座 (相应桥墩处受力较小) 。 ②其他墩设多向活动 支座 ,并在部分墩或所有墩采取径向限位措施 。 ③在 两个对称墩上设抗扭支座 。 ④城市曲线梁桥墩位布置 一般受到相邻建筑的限制 ,桥跨很难做到对称布置 ,且 一般位于较大的纵坡上 ,梁体在浇筑和预应力张拉时 也不是对称进行的 ,因此在切向对称中点附近设固定 支座尤为重要 。
2  实例分析
某桥为 6 跨预应力混凝土连续梁 ,桥梁中线曲线 半径为 255 m ,全长 2391751 m ,跨径组成为 (221813 + 35 + 55 + 391938 + 55 + 32) m ,箱梁底面宽 510 m ,箱室 高 212 m ,桥面宽为 910 m。原设计支座为联间墩 5 # 和 11 # 采用板式橡胶支座 ,中间 8 # 墩采用单向活动盆式

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橡胶支座 ,6 # 和 10 # 分别设有 45 cm 和 40 cm 的偏心 , 其余各墩均采用双向活动盆式支座 。通车一年半后 , 在无任何先兆的情况下 ,突然发生严重的梁体侧向滑 移 、平面外挠曲并伴随严重的扭转变形 ,最大滑移达 4815 cm ,扭角达 213°。
后经修复 ,并于 2001 年 7 月至 2002 年 7 月对该桥 进行了为期一年的安全运营监测 ,重点针对该桥的梁 体位移和梁体温度进行了测试 。梁体温度测点和修复 后的支承体系布置见图 1 、图 2 。

April ,2005 图 1  梁体温度测点布置图

图 2  修复后的支承体系布置图
    监测的系统温度以 2001 年 4 月 13 日的 22 ℃为初 始温度 。监测的主要结果见表 1 和图 3~图 5 。

表 1  各个测点间温差最大值

位   置

点号 温差Π℃ 时间

外侧顶板与底板 ①、③ 1315 15∶20

内侧顶板与底板 ④、⑥ 1014 13∶00

底板外侧 、内侧 ③、⑥ 1112 20∶00

外侧 、内侧腹板 ②、⑤ 1112 17∶00

日期 2002206229 2002204227 2001207221 2001207221

图 3  桥面温度随时间变化曲线图

注 :图中“2”表示向大墩号 (12 # 台) 方向偏移 图 4  5 # 、11 # 墩切向位移曲线图
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平面曲线梁桥温度变形与支承体系布置探讨

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注 :图中“2”表示沿径向向圆心方向偏移

图 5  5 # 、11 # 墩径向位移曲线图

 

  监测情况表明 ,该桥在修复后的支承体系下 ,梁体 引起的变形不可忽视 ,在曲线梁桥平面变形的因素中

的最大径向位移为 1 cm ,最大切向位移为 316 cm。根 占有重要的作用 。另外 ,内外侧腹板温差的正负取值

据实际监测的温度荷载 ,考虑该桥整体升温 16 ℃,顶 、 也至关重要 ,因为由此引起的位移结果可能相反 。因

底板温差 10 ℃,横向温差 10 ℃,汽车荷载按汽超 —20 此 ,曲线梁桥的设计人员应当对桥梁所处的方位和环

考虑 。利用 MIDAS 对修复后的支承体系计算 ,其径向 境温度仔细考察分析 ,然后根据具体情况作出正确分

位移最大值为 0144 cm ,小于实际测量的最大值 ,主要 析 ,取适当的温度荷载 ,以保证准确计算曲线梁桥的温

是模拟时径向限位是不可以动的 。另外从图 5 可以看 度变形和正确设置支承体系 。在考虑设置径向限位措

出 ,其变化值主要是在 0~015 cm 之间 ,与实际监测情 施时 ,不能所有的径向位移均被固定 ,否则会产生较大

况基本一致 。因此 ,无论从计算和监测结果来看 ,梁体 的水平力 ,有时甚至能达到好几百吨的力 ,可能会引起

未出现过大的扭转变形和侧向位移 ,说明支承体系的 支座被剪坏 、梁底或墩台帽混凝土被拉裂 、墩身墩顶混

修复是成功的 。

凝土开裂等病害[5] 。

假设按照原支承体系来计算 ,考虑该桥整体升温 16 ℃,顶 、底板温差 10 ℃,横向温差 10 ℃,计算表明

3  结语

5 # 墩最大径向位移可达 7139 cm ,其中横向温差引起

监测结果与计算分析表明 ,在曲线梁桥的设计过

的径向位移为 6196 cm ,占总体径向位移的 94 % ,11 # 程中 ,根据桥梁实际所处的方位和环境 ,适当考虑横向

墩最大径向位移可达 9132 cm ,其中横向温差引起的径 温差非常必要 。另外 ,在对曲线梁桥的破坏机理尚不

向位移为 8177 cm ,占总体径向位移的 94 % ,表明原支 十分清楚的情况下 ,适当增强曲线梁桥抗扭转能力和

承体系会发生较大的径向位移 。综合观测情况和理论 采取径向限位措施 ,是目前保证曲线梁桥安全运营的

计算分析表明 ,由于温差的循环作用 ,梁体发生向外侧 一种有效方法 。因此 ,在设计曲线梁桥时 ,对以上问题

的弯曲变形 ,也就是说各桥墩处的梁体发生向外侧移 应当引起足够的重视 ,防止意外事故的发生 。

动的径向位移 ,伴随径向位移的发生梁体有了向外侧

转动的残余积累 ,当梁体转角超过盆式橡胶支座的摩 阻角时梁体自重将产生接近水平方向的滑动力 ,这时 梁体径向位移和转角发展速度加快 ,直至发展到端支 点内侧支座脱空 ,这时就可能发生梁体整体滑动失稳 破坏 。
假设取横向温差为 10 ℃,是按监测时的最大温差 来考虑的 ,并不是横向温差经常保持在 10 ℃左右 ,但 是当横向温差为 10 ℃、径向限位又比较薄弱时 ,必然 会引起曲线梁桥过大的径向位移 。在设计中 ,对横向 温差到底考虑多少 ,应当根据桥梁所处的方位和环境

参考文献 [1 ]J TG D60 —2004 ,公路桥涵设计通用规范[ S] . [2 ]刘兴法. 混凝土结构的温度应力分析[M] . 北京 :人民交通出 版社 ,1991. [3 ] Moorty , Shashi (NASA Langley Res Cts) ; Roeder , Charles W. Temperature2dependent bridge movements. Source : Journal of Structur2 al Engineering. 1992 ,118(4) : 1 09021 105. [4 ]庄军生. 桥梁支座[M] . 北京 :中国铁道出版社 ,2000. 729. [5 ]孙广华. 曲线梁桥计算 [ M ] . 北京 : 人民交通出版社 ,1997. 1102111.

来确定 ,在无确切资料的情况下 ,建议采取德国规范按 横向线性温差 5 ℃来计算 。

修回日期 :2005 - 01 - 16
(责任审编  白敏华)

从上述情况可以看出 ,曲线梁桥内外侧腹板温差

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