曲线匝道桥支座脱空原因分析及加固处理

曲线匝道桥支座脱空原因分析及加固处理

王吉英

屈 国

郝海洪 王 琪

(辽宁省交通勘测设计院, 沈阳 110005)

摘 要 结合某高速公路互通立交预应力混凝土曲线匝道桥支座脱空病害的加固处理设计, 利用空间有限元分析软件, 分析了病害产生原因, 给出了理论上的解释, 并提出了较新颖的加固处理方案。

关键词 预应力曲线桥

支座脱空

空间有限元

1

原桥设计概况及病害情况

某高速公路互通立交匝道桥为5@30m 等梁高预应力混凝土连续箱梁。桥梁平面上处于一个R =150m 的右偏圆曲线以及一段缓和曲线内, 桥台为重力式台, 桥墩均采用单柱方形桥墩, 2号、3号、4号墩顶支座设置了向曲线外侧15c m 的预偏心, 设计上采用盆式支座, 桥型布置如图1所示。桥梁施工结束桥检时发现两个桥台的支座出现脱空现象, 脱空的支座位于梁端曲线内侧, 脱空的高度范围为0. 5~3. 0c m, 同时发现少量径向位移(详见图2)

随着改革开放以来高等级公路建设的飞速发展及大型枢纽立交的广泛应用, 预应力混凝土弯箱梁桥修建得越来越多, 并已积累了不少的设计及施工经验。但近几年也出现了一些曲线桥梁端支座脱

空、固结墩顶开裂、梁体横向位移等问题甚至病害。本文就一座预应力连续弯箱梁匝道桥, 通车前出现梁端支座脱空病害问题进行剖析, 提出了预应力连续弯箱梁桥支座脱空的主要原因, 给出了一种较新颖的加固处理方法, 并在施工中验证了空间有限元计算的正确性。

图1

桥型总体布置图

图2桥梁端部支座脱空病害图片

2

原桥的空间有限元计算

的技术人员都知道, 这种施工方法的连续箱梁预应力束的纵向布置一般情况都是支点范围内布置在箱梁形心以上的长度远小于各跨跨中布置在箱梁形心以下的长度, 而且大多数情况需配置底板通长束。由于各钢束均为平面曲线形式, 存在指向平面圆心的径向力, 该径向力对箱梁形心的均布扭矩当预应力束布置在形心以下时, 使箱梁有向曲线外倾覆的趋势; 当预应力束布置在形心以上时, 使箱梁有向曲

最不利组合3653. 12396. 2662. 7434. 6-0. 4313. 4

根据原设计图纸及相应的计算参数, 应用M I -DAS C I V I L 6. 3. 3版空间有限元分析软件对曲线桥进行计算分析, 计算时采用空间曲梁单元, 汽车活载按最不利位置布置, 同时考虑温度荷载、预应力次内力、混凝土收缩徐变次内力、基础不均匀变位引起的

次内力等附加荷载, 计算结果如表1。

表1

项 目

外侧V m ax

支承反力(kN )

外侧V m in 内侧V m ax 内侧V m in

最大拉应力(MPa) 最大压应力(MPa)

曲线桥空间分析计算结果

箱梁自重638. 1841. 5

恒载+预应力

+温度2772. 0

2401. 6-7. 4-29. 8

线内倾覆的趋势。如果在曲线箱梁全长范围内对预应力束引起的均布扭矩积分, 该积分显然会使箱梁

整体有向曲线外倾覆的趋势, 这也就是预应力效应引起的曲线梁梁端内侧支座较大的拉力的原因。4

本桥的加固处理方案

由于本桥所在高速公路通车在即, 必须保证在

从表1我们可以知道, 由于经计算在恒载(含桥面铺装等二期恒载) 、预应力效应及温度效应后, 梁端内侧的支座就将产生29. 8k N 的拉力, 也就意味着支座将会脱空。3

曲线桥支座脱空原因的分析

我们再来看一下计算结果, 在仅计入箱梁自重的阶段, 梁端支座反力分别为638. 1kN 及841. 5kN, 且内侧支座的反力大于外侧支座(这也是设置中支点支座预偏心带来的效果), 计入桥面铺装等二期恒载也是如此, 如果计入由于曲线桥内外侧结构尺寸长度不等引起的偏载, 支反力基本相差无几。而反观预应力效应, 在内侧支座引起近550kN 的拉力, 甚至超过由汽车偏载引起的404. 8kN 拉力, 成为造成内侧支座脱空的主要因素。下面进行深入分析。

有过整体现浇预应力混凝土连续箱梁设计经验

一个月的时间里完成加固处理施工, 工期是加固处理方案的首先要考虑的问题。实际采用的加固处理方法相对来说施工简单, 上部结构基本不需要处理, 仅需要简单处理下部结构, 施工工艺相对简单, 方案可靠, 工期短。如图3及图4所示, 仅在两侧梁端桥台曲线内侧支座处进行加固处理, 梁体及桥台上设置钢构件作为承力构件, 梁体承力构件及桥台承力构件采用钢拉杆拉紧。钢拉杆采用40C r N M i o A 特殊钢材, 抗拉强度为785M Pa , 单根拉杆的破坏拉力为445, t 设计采用的施工阶段拉杆预加力为80, t 即使考虑由于通车后活载和温度等效应引起的拉力增量, 也有相当大的富余, 同时也可避免高应力状态下的钢材疲劳问题。由于钢拉杆有较大的安全度, 同时内侧支座脱空值也随温度时刻变化, 在加固施工时, 可根据现场预应力张拉与内侧支座处竖向位移

的关系来调整预应力钢拉杆的张拉力。

图3桥台加固处理总图

图4拉杆构造详图

5本桥施工期间拉杆张拉力-位移对应关系与理论计算的对比

在本桥预应力拉杆张拉过程中, 测定张拉力与脱空支座中心处位移的关系, 如表2, 表中油压表与张拉力的回归方程为T =29. 364P+1. 813(P=油压M Pa ; T =张拉力kN) 。

表2

油压M Pa

考虑如下注意事项:

(1) 孔径布置应首先考虑小跨径, 短联孔长度; 结构形式应首先采用钢筋混凝土连续结构。

(2) 由于互通立交线形复杂, 不可避免存在跨径较大的小半径曲线连续梁桥, 则必须采用预应力结构, 这时应尽量保证各桥墩均采用双支点, 当必须采用单支点形式时, 应尽量减少一联连续梁中单支点的数量。

(3) 对于除了端支点外其它均为单支点形式的小半径曲线预应力连续梁桥, 应采取有效的构造措施避免内侧端支座脱空。可采取的措施有调整预应力束布置形式、设置拉力支座、增大端支座的间距、合理设置单支点的预偏心、单支点处设置必要的限位装置等。

(4) 除了端支点外其它均为单支点形式的小半径曲线预应力连续梁桥的计算分析, 应避免采用曲线梁格法, 可采用空间有限元程序的空间曲梁单元、壳单元、实体单元等形式分析。

张拉力与脱空支座中心处位移对照表

位移mm 06. 513. 616. 0

空间分析计算位移mm 07. 114. 2

基本密贴支座橡胶体压缩变形

备 注

张拉力kN 0

5827. 18

149237800

从表2可以看出, 加固设计的计算与施工中的

结果是基本相符的。6

关于预应力曲线连续梁桥的设计体会

从本桥的加固设计分析中, 可以知道, 对于互通立交中的小半径的曲线连续梁桥, 在桥梁设计时应

R easons f or Curved R a m p Bri dge Beari ng H ang i ng i n the A ir and Streng t hen i ng of It

Abstr act In the light o f design for strengthening the bearings hung in t h e a ir , o f prestressed concrete curved ra m p bridge o f i n terchange on a free w ay , the paper ana l y zes reasons for th i s d i s ease w it h the space fi n ite ele m ent soft w are , g ives theoretical explanation , and ra ises ne w er strenghen i n g versions .

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