异型曲线钢箱梁桥支座布置方式研究

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第39卷，第2期公路工程Vo1．39，No．22014年4月HighwayEngineeringApr．，2014异型曲线钢箱梁桥支座布置方式研究彭斌，彭新星(湖南省公路设计有限公司，湖南长沙410011)【摘要】为了研究支座布置形式对异型曲线钢箱梁桥支座水平反力的影响、提出对结构有利的支承布置方式，以一实际的异型曲线钢箱梁桥为例，采用有限元法建立精细的空间有限元模型，分析其在自重、二期恒载、温度作用和汽车活载等荷载下lO种支座布置方式产生的支座水平反力。通过综合分析，提出较合理的支承布置方式，减小支座的水平反力，保证结构的安全使用，为类似异型桥梁的支座设计提供依据。[关键词】异型；曲线钢箱梁；支座水平反力；有限元模型【中图分类号】U443．36[文献标识码】A[文章编号】1674—0610(2014)02-0207—05StudyontheBearingArrangementofSpecial-shapedCurvedSteelBoxGirderBridgePENGBin，PENGXinxin(HunanProvincialHighwayDesignCo．，LTD．Changsha，Hunan410011，China)[Abstract]Thispaperstudiesthebearingarrangementofspecial—shapedcurvedsteelboxgirderbridge，supporthorizontalforceisputforwardonthebearingarrangementstructurefavorable．Takingspecial-shapedcurvedsteelboxgirderbridgewithapracticalexample，afiniteelementmodelisbuiltfinebythefiniteelementmethod，analysisofthesupportlevelproduces10kindsofbearingarrangementintheweight，twodeadload，temperatureeffectandvehicleload，loadforce．Throughcomprehensivea-nalysis，thesuppo~arangementproposedcanreducethelevelofsupportforce，ensurethesafeuseofthestructure，andprovidethebasisforthedesignofsuppo~similarshapedbridge．[Keywords]Special-shapedbridge；theCurvedsteelboxgirder；Supporthorizontalforce；Finiteelementmode】异型曲线梁桥支座布置方式对支座竖向力分O引言布、梁体受力、梁体变形等的影响已有较多研究成随着城市建设和交通事业的发展，城市立交桥果，比如支点的预偏心设置方法、单点支座与抗扭支及高速公路立交桥的数量日益增加。立交互通需通承的设置方法均有较多研究。但是，异型曲线梁桥过匝道来实现，匝道桥与立交桥的连接经常通过异的支座布置方式对支座的水平受力分布的影响研究型桥梁连接。由于钢箱梁结构整体性好，抗扭刚度则开展的很少，也很少有设计者关注。如果支座设大，适应性强，故成为异型曲线桥梁的首选方案⋯。置不当，异型桥梁的某些支座可能产生较大的水平然而异型曲线梁桥受力复杂，具有以下特征：梁反力，由于支座的水平抗力较小，极易发生剪切破体的弯扭耦合效应明显、内外侧受力不均匀、支坏，影响桥梁的安全使用。座产生横向水平力、支座反力分布复杂等。由支座本文旨在通过研究异型桥梁的支座合理布置，布置不当带来桥梁的病害实例屡见不鲜，比如梁体使支座承受的水平力较小，不超过其水平承载力，而翘曲、侧倾、支座脱空、梁体侧移等，这些都与支座的保证桥梁的安全使用。首先对异型桥梁的支座水平设置方式有一定的关系。因此设置合理的支承形式力进行分析，再以某市一座立交桥异型钢箱梁的支是保证异型曲线梁桥安全施工与运营的主要因素。座布置方式为工程实例，建立三维空间实体模型，对[收稿日期】2013—04—08[作者简介】彭斌(1981一)，男，湖南娄底人，工程师，从事公路与桥梁设计工作。 208公路工程39卷结构进行详细的力学行为分析，最终得出较合理的支座布置方式。本文的分析结论可为类似异型桥梁的支座布置方式设计提供参考。1异型钢箱梁桥的支座水平力在梁体自重、二期恒载、车辆荷载、温度变化、汽车离心力等荷载作用下，异型梁桥支座均有可能产生水平力。在桥梁的伸缩缝位置，为了满足伸缩缝的构造要求，设计者希望桥梁的变形方向是沿着切线方向(垂直于伸缩缝的方向)移动，为此在构造上图1钢箱梁平面布置图(单位：m)Figure1Theplanelayoutofsteelboxgirder(unit：m)需采用一定的限制措施，在伸缩缝位置桥梁横向设置限位支座。由于异型梁桥伸缩缝数量较多，且不顶宽10．0m，箱梁底宽5．5m，悬臂长2．25m，梁高规则，故在水平面内异型梁桥一般来讲是超静定体1．18m。箱梁顶板厚为16mm，底板厚为14mm，腹系。板厚为16mm。箱梁每隔2．8m设一道横隔板，横在恒载、汽车活载、温度变化等荷载作用下，梁隔板厚度为16mm。箱梁顶板设置u型加劲肋，间体发生弯曲变形，由于支座的超静定设置方式，异型距为0．55m；悬臂顶板处设T型与I型加劲肋，间钢箱梁底板不能够自由伸缩变形，故在水平面内产距为0．55～0．30m；底板设T型加劲肋，间距为生赘余力，即产生支座水平力。0．40m；腹板设I型加劲肋，间距为0．40m。钢箱梁标准横断面如图2、图3所示。2异型曲线钢箱梁桥分析方法曲线梁桥目前常见的分析方法主要有解析法和数值法。解析法即把曲线梁桥模拟成单根曲梁，采用纯扭转或约束扭转理论进行计算，概念清晰、计算简单。但是解析法对于变截面曲梁及异型曲线梁桥图2B、C端钢箱梁标准横断面图(单位：m)有较大困难。数值法如有限元法、有限条法等。单Figure2B，Ccrosssectionofsteelboxgirder(unit：m)元形式有梁单元、板壳单元及实体单元等，可以较精确的模拟异型梁桥的受力状况。对于混凝土异型梁桥，一般采用梁格法进行分析；对于异型钢箱梁桥，苎巴E受尸I2．25I7．5I2．25I采用板壳元建立实体模型进行分析时可以较精确模拟钢结构的受力状态。本文建立异型钢箱梁桥的板图3A端钢箱梁标准横断面图(单位：m)Figure3Acrosssectionofsteelboxgirder(unit：m)壳元空间模型，对异型曲线钢箱梁桥进呃行分析，得出支座反力，再对支座反力进行详细的分析。3．2主要设计参数①结构设计安全等级：I级。3工程实例②设计车行速度：40km／h。3．1工程概况③恒载：钢结构容重78．50kN／m，钢筋混凝本文以某市一座市政立交桥异型曲线钢箱梁桥土调平层容重25．00kN／m，沥青混凝土铺装容重为例进行分析。该桥在平面上为T形异型钢箱梁24．00kN／m，栏杆5．00kN／m。桥，梁高为1．18m。O—A跨径布置为(20+20)m，B④活载：公路一I级，按最不利进行布载，冲击—C跨径布置为(22+38．5+24)m，A端桥宽为系数按规范进行计算。12m，B、C端桥宽为10m。O—C陆线半径为50m，⑤整体升降温：4-25oC。B—A、A—c转弯半径为15m。桥梁总体布置见图l。⑥基本风速：100a一遇10m高10min平均上部结构采用等高度钢箱梁，A端为单箱双室风速28．6m／s。3．3空间模型的建立截面，箱梁顶宽12．0In，箱梁底宽7．5m，悬臂长2．25m，梁高1．18m；B、C端为单箱单室截面，箱梁为准确模拟异型曲线钢箱梁结构的空间受力特 第2期彭斌，等：异型曲线钢箱梁桥支座布置方式研究209性，采用大型空间有限元软件ANSYS建立精细化全结构仿真分析模型，钢箱梁顶板、底板、腹板、横隔板以及加劲肋均采用SHELL181壳单元模拟。模型考虑了桥面横坡、桥梁竖曲线、平fHj线，支座位置与实4际布置相同，桥面铺装及栏杆等荷载按照实际作用一1一3：一1·．号：位置精确施加。全桥共106537个节点，287005个单元。桥梁模型如图4所示。L·-1·；：∞图4钢箱梁空间有限元模型．lI}一3／卜l。；似Figure4Thespacefiniteelementmodelofsteelboxgirder3．4计算工况计算分以下4种工况进行：自重、二期恒载、汽车荷载、整体升温。通过分析每种荷载工况下的支座反力分布情况，对各种支座布置方式进行评价，得出支座布置的一些有用的结论。．-lI3：3．5支座布置方式由于伸缩缝的构造要求，在伸缩缝处只允许垂直于缝的位移，不允许有平行与缝的位移；而且梁端有抗扭要求，故一般会在每个梁端设置一个可沿垂一直于缝方向滑动的意向滑动支座和一个双向滑动支1一3：座。若通过合理布置，梁端位移较小的话，在梁端亦(i)fj)可只设置两个双向滑动支座。本文考虑l0种支座一图510种支座布置方式布置方式，如图5所示，具体说明见表1。Figure5Tenkindsofbearingarrangementn一表1支座布置方式列表Table1Listofbearingarrangement布置方式支座编号(I)(2)(3)(4)(5)(6)在自重、二期恒载作用下支座反力的计算结果从表2①和②可以看出：在自重、二恒作用下， 210公路工程39卷支座布置方式i不产生支座水平反力。在自重、二在整体升温25℃作用下支座反力的计算结果恒作用下支座水平反力类似，故以二恒作用下水平列于表2③。支反力进行分析。除支座布置方式i外，方式a最从表2③可以看出：在整体升温作用下，支座布大水平支反力为250．3kN，方式b最大水平支反力置方式i不产生支座水平反力。除方式i外，方式a为337．1kN，方式c最大水平支反力为328．0kN，最大水平支反力为211．1kN，方式b最大水平支反方式d最大水平支反力为253．2kN，方式e最大水力为425．0kN，方式c最大水平支反力为211．0平支反力为141．4kN，方式f最大水平支反力为kN，方式d最大水平支反力为231．7kN，方式e最60．8kN，方式g最大水平支反力为113．7kN，方式大水平支反力为232．1kN，方式f最大水平支反力h最大水平支反力为157．5kN，方式j最大水平支为229．2kN，方式g最大水平支反力为211．3kN，反力为93．9kN。可见，除方式i外，方式b产生的方式h最大水平支反力为211．2kN，方式j最大水支座水平反力最大，方式f产生的支座水平反力最平支反力为208．0kN。可见，除方式i外，方式b产小。生的支座水平反力最大，方式a、c、d、e、f、g、h、j产生3．7温度作用支座反力分析的最大支座水平反力相差不大。表2自重、二恒、整体升温作用下支座水平反力Table2HorizontalsuppoflundertheactionofgravityforceandthesecondarydeadloadkN工况编号支座布置方式lFY147．4l99．3101．1142．467．225．26．3一ll4．3O．O23．O3FX67．7196．523．767．924．8l1．7l2．7—69．1O．0O．OFY—l65．6一l86．5—193．9—148．8—8O．9—26．837．984．3O．0—52．4自5FYl8．8—24．5l26．3O．OO．00．0—73．132．7O．029．5口雷6FY7，6l4．8一t5．214．631．53．830．89．90．014．39FY49．2—4．7—40．654．7—3．68．230．0—98．1O．O一31．1llFYO．0203．0—0．0—0．00．0一一一lFY250．3336．5173．9241．9l17．956．927．5—169．50．040．83FXll4．6328．542．1ll4．943．926．227．7一lO5．80．OO．OpFY一281．3—3l6．1—328．0—253．2一l41．4—6O．839．8ll5．6O．O一93．9——5FY31．5—40．4208．50．00．00．0一ll3．759．3O．054．46FYl4．526．4—23．126．154．09．051．ol6．8o．O23．69FY82．1—7．4—65．791．4—4．818．051．9～157．50．0—54．8IlFYO．0337．1一O．O—O．OO．0一一一lFYll8．2226．9ll8．0173．2l73．6l70．8ll7．Ol16．40．0l7．73FX5O．5320．35O．348．348．647．250．049．60．00．0越FY一46．8—90．7—46．9—231．7—232．1—229．2—45．O一44．8O．O53．5体5FY一207．2—297．9—206．80．00．00．0—208．1—207．50．0—205．3升6FY2l1．1226．12l1．Ol34．6l34．42l1．32l1．20．0208．0温9FY—l1．8一l24．6一l2．1—73．O一72．6—73．9一l1．9一l2．6O．0—6O．7llFY0．0425．0—0．0—0．00．0一一一3．8汽车活载作用支座反力分析式j最大水平支反力为294．9kN。可见，除方式i在汽车活载作用下支座反力的计算结果列于表外，方式b产生的支座水平反力最大，方式f产生的3。支座水平反力最小。从表3可以看出：在汽车活载作用下，支座布3．9支座水平反力综合分析置方式i不产生支座水平反力。除支座布置方式i以上分析可见，支座按方式i布置时在各种荷外，方式El,最大水平支反力为373．3kN，方式b最载作用下均不会产生水平反力，但此方式未设固定大水平支反力为529．6kN，方式c最大水平支反力支座，桥梁的水平位移不能有效控制，故不建议采为395．7kN，方式d最大水平支反力为263．5kN，用。在各种荷载作用下，方式b产生的支座水平反方式e最大水平支反力为206．0kN，方式f最大水力最大，最大水平反力产生于11号支座，而11号支平支反力为188．1kN，方式g最大水平支反力为座采用了单向滑动支座，建议将其设置为双向滑动270．5kN，方式h最大水平支反力为277．2kN，方支座。各种荷载作用下，方式f产生的支座反力相 第2期彭斌，等：异型曲线钢箱梁桥支座布置方式研究211注：FX表示顺桥向，FY表示横桥向，支座反力为0的项不列出。对较小，此方式为桥梁中点处设置固定支座，在各端效应的力学模型[J]．中南公路工程．2007，32(3)：42—45．[4]蔡松柏，李存权．箱型梁桥剪力滞效应的精确分析[J]．中南部设置一顺桥向单向滑动支座和一个双向滑动支公路工程．1989，(3)：33—41．座，其余中间支座均为双向滑动，可满足桥梁水平限[5]杨秀珍．连续曲线钢箱梁剪力滞效应折[J]．铁道建筑．位要求，同时产生的水平反力也较小，故推荐采用。2006(2)：1—3．[6]张士铎．箱形薄壁梁剪力滞效应[M]．北京：人民交通出版4结论社。1998．①异型曲线钢箱梁桥在各种荷载作用下均可[7]李倩．钢结构人行天桥曲线箱梁中横隔板设置间距的有限元分析[D]．鸟鲁木齐：新疆大学，2006．能产生水平支座反力，此反力若大于支座水平承载[8]胡强，陈浩军，王季青．空间曲线钢箱梁有限元分析[J]．公路力，则将影响桥梁的安全使用，故应予以重视。与汽运．2004(6)：70—72．②为满足桥梁水平限位要求，应至少设置一固[9]HasebeK，UsukiS，HorieY．Shearlaganalysisandeffective定支座，其余支座采用单向滑动支座或双向滑动支widthofcurvedgirderbridges[J]．J．Engrg．Mech．，ASCE，座。1985，111(1)：87—92．[10]肖敏，李新平。连续曲线箱梁剪力滞效应分析[J]，中外公③在梁端，为了满足伸缩缝的构造要求，不致路，2004(8)：61—65．使产生沿伸缩缝方向的位移而影响伸缩缝的使用功[11]项贻强，丰硕，汪劲丰，等．大跨径单室预应力连续刚构箱梁能，同时为了满足抗扭要求，梁端一般设置一个沿顺桥的静力特性空间分析[J]．公路交通科技，2005，22(3)：58桥向滑动的单向滑动支座和一个双向滑动支座。—61．④异型桥梁设计时应建立空间实体模型进行[12]吴西伦．弯梁桥设计[M]．北京：人民交通出版社，1998．详细计算，必要时可采取模型实验，综合各种因素分[13]王钧利．曲线箱梁桥的病害分析及设计对策[J]．中外公路，2005，25(4)：102—105．析后确定支座布置方式。[14]梁志广，高岩。庄军生．预应力混凝土连续曲线粱桥板式橡胶支座的状态评定[J]．中国市政工程，2005(4)：23—25．[参考文献][15]单德山，李乔．高速铁路曲线梁桥支座布置形式初探[J]．重邹芒，孙浩．薄壁曲线箱梁剪力滞效用的有限元解法与实验研庆交通学院学报，2001，20(2)：1—5．究[J]．公路工程．2011，36(3)：26～29．[16]方诗圣，肖兵，张吉烁，等．支座布置形式对曲线梁桥力学性[2]张杨永．连续刚构箱梁桥剪力滞效应的参数分析[J]．公路工能的影响[J]．世界桥梁，2011，(4)：49—52．程．2008，33(4)：58—66．[3]吴幼明，罗旗帜，岳珠峰，等．多因素分析薄壁曲线箱梁剪滞