曲线钢箱梁抗倾覆的结构及受力特点

曲线钢箱梁抗倾覆的结构及受力特点
摘要：本文介绍了曲线钢箱梁的结构型式和主要特点，以及其支承设计、支座反力分析和曲线钢箱梁的柱墩连接设计，最后对支座反力的计算步骤进行了详细阐述。

关键词：曲线钢箱梁；结构；设计；计算
1、工程简介
长春市两横两纵快速路系统工程之西部快速路（青年路—普阳街—春城大街—宽平大路—前进大街）的道路主线交汇位置的钢箱梁，共有四部分组成：
①N主线桥N36#～N42#墩钢箱梁；②S匝道S6#—S9#墩钢箱梁；③R 匝道R16#—R26#墩钢箱梁。

④P匝道P15#—P19#墩钢箱梁；
P线匝道跨越N主线和R匝道，为互通区跨径最长（75m）跨越高度最高（25米）的钢箱梁。

互通区钢箱梁分布图
P匝道钢箱梁横截面示意图
2、曲线钢箱梁的结构型式
P15#—P19#墩钢箱梁为四跨（52m+75m+75m+52m）等截面钢箱梁，钢桥材质为Q345QE，箱梁高度为3米，钢箱梁平面位于曲线、缓和曲线和直线段内，钢箱梁的横截面由两个箱室组成，箱梁的两侧有飞翼状的挑檐，箱梁的总宽度为9.66米。

桥梁的平曲线圆弧半径为R=155m,桥面设有1.5﹪的横坡和3.8﹪-2.9﹪的纵坡。

3、曲线钢箱粱主要特点
P线曲线钢箱梁最长跨径70m，满足了互通区的总体布置要求。

对于这些中等跨径的桥梁可选用等高度的箱粱截面。

钢箱梁相对于混凝土连续梁结构，钢结构自重较轻，远小于混凝土连续结构。

钢材具有较高的拉压性能，容易通过调整钢板的厚度来满足弯矩分布的不规则，梁的高度和跨径能够较好地适应总体布置的需要；钢箱梁的加工采取工厂化加工制作、现场临时墩支撑、吊车就位、节段之间采用与母材等强全溶透的焊连接方法，方便快捷，不影响交通；钢箱粱加工虽然复杂，技术要求高，需要专业的加工队伍，但是现场施工周期短，满足了施工质量和总体进度的需要。

4、支承设计
P线匝道桥为四跨双箱钢箱梁，全桥长254m, ，钢箱梁平曲线为圆曲线和缓和曲线组成，箱梁的曲率半径为155m,桥面宽10m，箱梁产生的活载扭矩在梁的两端很大。

为了减少扭矩荷载的连续传递，避免钢箱梁倾覆的发生，钢箱梁匝道桥均采用双支座来承担扭矩，使曲线桥的扭矩较均匀地分布在曲线连续梁上，由各个桥墩上的双支座共同承担。

P线匝道钢箱梁桥支座间距4 .4m
5、支座反力分析
曲线钢箱梁的受力有如下特点: 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。

曲线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。

同时曲线梁的内、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。

因此，在曲线梁桥中,应选用抗扭刚度较大的箱型截面形式。

在曲线梁中,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,由于曲线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。

曲线钢箱梁由于存在很大的扭矩，使横向双支座中的另一个支座产生较大的上拔力而容易导致支座脱空，过大的上拔力还可能导致曲线桥的倾覆。

因此，设计曲线钢箱梁时，对支座反力的计算是必须的。

通过对曲线钢箱梁匝道桥，建立空间有限元分析模型，计算在恒载作用和活载作用下的支座反力，确保桥梁设计的安全。

6、曲线钢箱梁的柱墩连接设计
曲线钢箱梁边跨的设置考虑到连续梁边墩支座在恒载作用下的预压力一般不大，耍预防由活载引起的上拔力造成支座脱空的危险。

，墩顶双支座的支座反
力不均匀，中墩的支座恒载反力较大，在活载作用下，一般不会出现支座脱空现象。

边墩支座的预压力不够大，双支座中容易出现支座脱空现象，
6.1 P17墩预应力处理办法
①预应力锚杆采用公秤直径32mm预应力混凝土用螺纹钢筋（PSB830），其抗拉强度标准为f〔PK〕=830mpa,钢筋锚下控制力为0.9f〔PK〕=747MPa,每延米理论伸长量约为3.74mm,
竖向预应力钢筋采用JLK-32锚固，采用YC60B型千斤顶张拉。

②竖向预应力钢筋章拉完毕后，其槽口应用C45收缩补偿性混凝土封锚，封锚时槽口坡面要凿毛洗干净，锚后增设钢筋网。

③竖向预应力钢筋张拉完毕后，用砂轮割去多余部分，割后露出螺母以上长度不小于32mm.同时端头采用防腐、防锈处理，并用C45混凝土封锚。

④钢管内经Φ45mm与预应力钢筋的空隙采用压浆处理，强度不小于M45。

6.2墩柱连接
P15墩、P16墩、P18墩、P19墩采用抗拉球型钢支座。

P17墩为曲线桥的中间墩，刚性固定连接，柱顶上安装了2m高的钢抱箍并与墩柱浇筑在一起，钢箱梁底板与柱顶采取焊接和竖向张拉相结合的连接方式。

通过这种国定连接方式从而限制了桥梁的整体移动的可能，其余墩柱由于采用抗拉球型钢支座，限制了钢箱梁向上位移的可能，桥梁在使用过程中由于受力的变化，只会有小范围的径向和轴向位移。

7、支座反力的计算步骤
7．1恒载作用支座反力的计算
匝道桥的恒载作用有：钢箱梁自重、箱内混凝土块压重、桥面铺装层、防撞栏。

前两项恒载为第一期恒载，即结构自重，后两项恒载为第二期恒载。

采用空间有限元模型，计算获得恒载作用下的支座内外侧反力。

7．2 活载作用下支座反力的分析计算
将钢箱梁分别考虑在活载作用下的3种不利情况：双车道内侧偏载、单车道内侧偏载、单车道外侧偏载。

①双车道内侧偏载的支座反力
根据《城市桥梁设计荷载标准》(cJJ 77—98)，汽车活载采用城市一A 级车道荷载(均布荷载为15kN／m，集中荷载为300 kN)，并将荷载偏置在曲线梁的内侧，双车道荷载横向布置。

计算活载作用的支座反力。

②单车道内侧偏载的支座反力
将荷载偏置在曲线梁的内侧，单车道荷载横向布置。

单车道内侧偏载下的支座反力。

③单车道外侧偏载的支座反力
将荷载偏置在曲线梁的外侧，单车道荷载横向布置。

单车道外侧偏载下的支座反力。

7．3 支座反力的特点
采用空间曲线箱梁ANSYS有限元软件模型，计算了P线匝道桥在恒载和活载作用下的支座反力，由此可以归纳曲线钢箱梁支座反力的特点和规律。

①连续曲线钢箱梁在恒载作用下，横向两个支座的反力是不均匀的，特别是两端支承处内、外侧的支座反力相差悬殊。

②在汽车活载作用下，对于曲线桥梁，一般是内侧偏载将使布置在外侧的支座产生负反力，外侧偏载将使布置在内侧的支座产生负反力。

但对复杂曲线桥梁，存在有内侧偏载将使布置在内侧和外侧的支座同时产生负反力和外侧偏载也将使布置在内侧和外侧的支座同时产生负反力的情况。

③当曲率半径小、跨径大、恒载小时，更应该注意控制内外侧负反力的问题。

因此，为了保证支座不脱空，可以采取在支点处横隔梁内灌注混凝土进行压重。

本匝道桥采用中墩柱固结，其余支座采用抗拉球型钢支座连接方法，通过计算分析得到的反力计算结果表明可以解决支座脱空问题。

结语
曲线钢箱梁匝道桥在今后的城市立交桥上将会大量出现，利用空间有限元的计算，确定支座的受力特点，设计桥梁支座时在支座构造和设置上采取相应措施，减少支座负反力的产生。

本曲线钢箱梁利用中墩柱的固结和边墩柱设置抗拉球形钢支座的方式有效的解决了曲线钢桥的倾覆问题。

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