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节段法施工的梁桥设计流程

钢筋混凝土和预应力混凝土梁式体系桥梁是桥梁工程中设计理论最成熟,应用范围最广泛的桥型之一。绝大多数中、小跨径桥梁均采用钢筋混凝土或预应力混凝土梁式结构。在250m以下的中大跨径桥梁中,预应力混凝土梁式体系桥梁也具有相当大的竞争力。按照梁式桥的静力特性,大体可以分为简支梁、悬臂梁、连续梁、T构、刚架桥五种基本体系。

 

1 恒载内力计算
恒载内力的计算就是计算上部结构自重所引起的内力响应。恒载内力一般可分为一期恒载内力与二期恒载内力。一期恒载内力的计算与桥梁结构的施工方法密切相关,不同的施工方法对应的恒载内力各不相同,而不能简单地按照一次落架计算。二期恒载包括桥面铺装和桥面系荷载,可以模拟为纵向均布荷载计算。

预应力混凝土连续梁桥的施工方法较为成熟,实际应用中主要有以下五种施工方法:满膛支架现浇、简支变连续、逐跨施工、顶推法施工、悬臂浇筑(拼装)施工。除满膛支架现浇法外均为节段施工法,在计算恒载内力时要按施工阶段进行逐步分析模拟,累加得到恒载内力。

满膛支架现浇法施工仅适用于桥墩不高且桥下地面情况适宜搭设支架的中小跨径的预应力混凝土连续梁桥。一期恒载和二期恒载都按照一次落架的方式作用在全桥连续结构上,叠加这两个施工阶段的内力就得到结构的最终恒载内力。

简支变连续的桥梁一期恒载作用在简支体系上,二期恒载作用于连续体系上。可以在连续梁结构全部形成后施工桥面铺装,也可以在逐跨架设的同时,对于已形成连续结构的主梁部分进行桥面铺装。各阶段荷载作用于不同结构体系之上而形成永存于最终结构的内力,将各节段在不同施工阶段的内力叠加,便得到最终恒载内力。

逐跨施工方法适用于等跨度的多跨连续梁,其一期恒载内力的分布情况介于满膛支架现浇法与简支变连续两种方法之间。施工阶段与简支变连续施工方法类似,但每架设一孔就形成一个带悬臂的连续体系。各施工阶段的内力叠加得到最终的一期恒载内力;二期恒载加载方式与简支变连续情况相同。

分析顶推法施工的结构的特点是施工过程的模拟计算和营运前期的一期恒载内力就是结构顶推就位时的内力,二期恒载作用于最终连续体系上。顶推施工过程中梁体内力不断改变,各截面出现的正、负弯矩往往比结构使用状态下自重内力更为不利,所以在顶推施工仿真分析中要模拟各顶推阶段梁体的自重荷载产生的内力,在顶推到位后还要模拟拆除大量的临时预应力筋以及补张拉最终结构所需的预应力筋。

平衡悬臂施工法是适用范围最广的施工方法,跨径从50m至200m以上均可以使用悬臂浇筑(拼装)的方法。悬臂施工所产生的恒载内力分布情况接近于悬臂梁桥的受力状态,正弯矩仅在跨中合龙段处出现。由于悬浇或悬拼过程中有挂篮或吊机在主梁上移动,所以进行施工过程的仿真分析时除了模拟各节段重力之外,还要模拟施工机具的重力作用及拆除移动。悬臂施工合龙时需要体系转换。具体的施工过程及体系转换次序往往要在结构设计全部完成后才能确定。

2 附加荷载内力计算
超静定结构在各种内外因素的综合影响下,结构因受到强迫的挠曲变形或轴向伸缩变形,在结构多余约束下产生约束力,从而引起结构的附加内力,或称次内力。对于简支梁桥、悬臂梁桥、T构这三种静定结构,不存在附加内力。连续刚构桥最主要的附加荷载内力是由常年温差引起的结构次内力。连续梁桥结构主要考虑的是桥面升降温、基础不均匀沉降以及支座摩阻力产生的次内力。

理论上,温度变化的影响应由年温差的影响和骤变温差的影响组合而成,但考虑到在设计计算中温度的影响力还要与恒、活载内力以及其它内力进行组合,这种在各方面都处于最不利的情况,在实际使用中出现的概率较小。因此,一般的做法是分别计算年温差影响力和骤变温差影响力,两者不叠加,取其不利者作为温度变化的影响力进行组合。

在桥面板升降温计算中可以认为桥梁纵向温度变化是一致的,这样温度场简化为沿桥梁截面高度方向的温度梯度形式。由于温度梯度的非线性变化而引起的温度自应力在中小桥中并不明显,所以超静定结构的温度次内力是桥面板升降温引起的主要结构响应。目前在设计中一般考虑日照温差为5℃,分为桥面升温、桥面降温两种情况,在桥面板内均匀分布。

根据桥梁纵向基础的不同沉降情况,基础不均匀沉降产生的结构次内力有多种不利的组合形式。在数值分析中将每一个基础沉降模拟为支座竖向位移,分别分析单个基础沉降后组合得到最不利沉降情况下的结构次内力。

支座摩阻力一般情况由常年温差及汽车制动力产生。对于多跨连续梁,墩顶支座摩阻力由每联下部各墩支座顶部水平位移刚度确定,水平位移刚度是与墩顶水平位移刚度和支座剪切刚度有关的合成刚度。数值计算中将支座摩阻力等效为节点力来计算结构响应。应该注意的是由于变截面连续梁节点竖坐标往往不相等,所以不能忽略水平荷载所产生的结构内力。

3 活载内力计算
活载内力是由基本可变荷载中的汽车、挂车、人群荷载作用于主梁上产生的结构内力。在桥梁结构的使用状态下,主梁具有空间结构受力特性,在实际计算中一般引入横向分布系数,将空间结构计算转化为平面计算。

主梁各截面弯矩的横向分布系数均采用跨中截面横向分布系数来代替,计算剪力时要考虑横向分布系数沿梁纵向的变化。荷载横向分布影响线的计算方法有很多种,目前常用的有四种:梁格法,包括刚性横梁法以及考虑主梁抗扭刚度的修正刚性横梁法等;梁系法,包括刚接梁法,铰接梁(板)法等;比拟正交异性板法,简称G-M法;在计算梁端的剪力横向分布系数时,一般采用杠杆法。

一般荷载横向分布的计算方法仅适用于等截面简支梁桥,为了将等截面简支梁桥的荷载横向分布方法近似地应用于变截面简支、悬臂、连续及其他体系梁桥,在计算荷载横向分布系数之前可先将这些结构体系的计算桥跨按照等代刚度法变换为跨度相同的等截面简支梁。等代刚度指的是在跨中施加相等的集中荷载或扭矩,模拟简支梁与实际梁跨的跨中挠度或转角相等。

4 荷载组合
桥梁结构按极限状态法设计时分为两种极限状态:正常使用极限状态和承载能力极限状态,应按不同的组合系数对荷载效应进行组合。

5 预应力束的布置与计算
在预应力混凝土梁桥的计算中,根据预应力混凝土结构设计原理及有关规范的规定,预应力钢束的布置应综合考虑以下因素:根据受力类型的不同,分别考虑承载能力极限状态下正截面抗压、抗弯强度及斜截面抗剪强度等;正常使用极限状态下预应力混凝土构件法向拉、压应力及主拉、主压应力要求;施工阶段(预施应力阶段)截面法向拉、压应力要求。充分考虑到梁体的构造特点,在有限的空间内进行钢束的竖弯与平弯,钢束间的相对位置、转弯角度及半径等应满足构造要求。

6 结构验算
如前所述,对预应力结构,在预应力配束之后,应该对结构进行各种验算,包括施工阶段应力验算,结构正常使用极限状态下的变形、裂缝及营运阶段应力验算、全梁承载能力极限状态下的强度验算,以及其他锚下局部应力和桥面板承载能力验算等。对非预应力结构,也要进行类似的验算,以保证结构的安全。下面主要讨论施工阶段应力验算、正常使用极限状态验算以及承载能力极限状态验算
 

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