斜腿刚构桥

斜腿刚构桥（精选四篇）

斜腿刚构桥 篇1

一、列车桥梁时变系统空间振动方程的建立

(一) 车辆 (包括机车) 计算模型

1、基本假定。

车辆空间振动分析中采用下面基本假设: (1) 车体、转向架和轮对均假设为刚体;2、轮对、转向架和车体沿桥跨作匀速运动, 即不考虑机车、车辆纵向振动及其对桥梁振动与行车速度的影响;3、轮对、转向架和车体均作微振动;4、所有弹簧均为线性, 所有阻尼按粘滞阻尼计算, 蠕滑按线性计算;5、沿铅垂方向, 轮对与钢轨密贴, 即轮对与钢轨的竖向位移相同;6、忽略构架点头运动及轮对侧滚和摇头运动。

2、空间振动自由度。

分析中货车以C62货车 (26辆编组, 1动25拖) , 客车以DF11客车 (19辆编组, 1动18拖) 为例。车辆系统视为由车体、前后转向架与四个轮对组成, 均视为刚体, 车体空间振动有侧摆、侧滚、摇头、点头、浮沉等5个自由度;每个构架有侧摆、侧滚、摇头、点头、浮沉5个自由度;每个轮对有侧摆, 浮沉等2个自由度, 故每辆四轴车辆共有23个自由度, 每辆六轴机车共有27个自由度。客车及机车均按二系弹簧计算。

(二) 空间振动方程的建立与求解。

将桥上列车与桥梁视为整体系统。考虑各车辆与桥梁空间振动位移的相互关系, 计算任一时刻t的桥上列车及桥跨空间振动的弹性总势能。应用动力学势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则, 建立t时刻此系统的空间振动的矩阵方程:

式中, 分别为t时刻车桥系统的加速度、速度、位移参数列阵。建立了矩阵方程 (1) , 还不能根据它解出车桥系统的空间振动响应。因为方程 (1) 中的荷载列阵{P}仅由列车重力及风载 (当考虑风载与列车重力共同作用于系统时) 构成。直接解方程 (1) , 只能得出列车重力与风载作用下的系统振动响应。必须以实测的构架蛇行波或构架人工蛇行波和轨道竖向几何不平顺函数代替矩阵方程 (1) 左边的对应振动参数, 才能解出此系统在风、列车重力与列车走行共同作用下的空间振动响应。这样, 方程 (1) 的振动位移参数可分为k个已知参数和n个未知参数, 即可写成则方程 (1) 可重新组成:

展开 (2) 式, 得

(4) 式为需划去的非独立矩阵方程。 (2) 式右边各项都已知, 因而它是具有自由项的车—桥系统振动矩阵方程, 从它解出系统空间振动响应。

1、列车安全、舒适和平稳运行的评估标准。桥上列车运行的安全性、舒适性及平稳性是在铁路桥梁长期使用过程中提出来的。走行安全性是指车辆在运行过程中不出现脱轨现象;舒适性则包括车辆本身的运行平稳性和旅客乘坐舒适性两个方面, 其中平稳性指标是判定车辆本身的振动状况, 舒适性则表明车辆机械振动对司机、旅客感觉影响的评价。在对列车走行舒适性与安全性评价指标上, 国内外研究者大都用轮重减载率、脱轨系数来判断列车运行的安全性, 至于乘坐舒适性 (或运行平稳性) 方面, 一般用Sperling指标来判断。根据TB/T2360-93铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准、GB5599-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范, 并参考历次提速试验所采用的评判标准, 在车桥动力仿真分析中, 列车运行安全性与舒适性 (平稳性) 的评定指标选取为:脱轨系数Q/P≤0.8;轮重减载率ΔP/P≤0.6;车体横向加速度不大于0.20g, 车体竖向加速度不大于0.25g (客车车辆速度V≤200km/h) ;车体横向加速度不大于0.50g即5.0m/s2, 竖向加速度不大于0.70g即7.0m/s2 (货车车辆) 。

二、桥梁自振特性分析

桥梁的自振特性在很大程度上反映出桥梁刚度的大小, 也就反映出桥梁的动力特性。基于前面所建立的有限元分析模型, 采用桥梁动力分析程序进行空间自振特性分析, 得出该桥的第一阶纵向的自振频率为0.3921, 主要特点为对称横弯;第一阶竖向的自振频率为0.0.9939, 主要特点为对称竖弯。

三、列车—桥梁时变系统空间振动动力响应分析

根据前述桥梁分析模型和原理, 对C62货车和DF11客车两种车型通过该桥的全桥分析模型时的车桥系统空间动力响应进行了计算。计算时, C62货车速度分别取50、60、70、80Km/h, DF11客车取80、90、100、110、120、130、140Km/h, 轨道不平顺采用美国五级谱, 以双线对开的方式通过桥梁。得到跨中振动响应见表1, 车辆振动响应及评价结果见表2。

综合上表中的桥梁响应结果以及车辆响应结果并结合相应的评价标准可以看出: (1) 当C62列车以速度50km/h~80km/h通过桥梁时, 跨中截面最大横向动位移是1.70mm, 相应的挠跨比为1/200000, 而跨中最大竖向动位移为121mm, 相应的挠跨比为1/2810。DF11列车以速度80km/h~140km/h通过时, 桥梁跨中最大横向动位移为0.73mm, 相应的挠跨比为1/430136, 而跨中最大竖向动位移为42.5mm, 相应的挠跨比为1/8000, 说明桥梁的横向刚度和竖向刚度满足要求。C62货车通过时跨中的竖向振动加速度最大值和横向振动加速度最大值分别为:1.44和1.23;DF11客车通过时的竖向和横向振动加速度最大值分别为0.46和0.88, 说明桥梁的振动状态良好。 (2) 从表2知, 在所分析的工况下, 列车的最大脱轨系数为0.27, 远小于0.8, 最大轮重减载率为0.36, 也小于0.6, 因此, 列车的行车安全性可以得到保证。C62货车通过时车体振动竖向加速度最大值达3.10m/s2, 小于7.0m/s2的标准, 最大竖向Sperling指标为2.93, 因此列车的竖向运行平稳性满足要求;车体振动横向加速度最大值达1.57m/s2, 小于5.0m/s2, 最大横向Sperling指标为2.96, 因此, 列车行车时的横向平稳性亦能很好地满足。当DF11客车通过时, 车辆竖向加速度最大值达1.00m/s2, 即0.10g, 小于0.25g的标准, 最大竖向Sperling指标为2.79, 因而, 列车行车时竖向舒适性满足要求;车辆横向加速度最大值达0.95m/s2, 即0.095g, 远小于0.20g的标准, 最大横向Sperling指标为2.88, 因此, 列车行车时的横向舒适性同样能够很好的得到满足。

四、结论

(一) 桥梁的竖向位移与列车速度大致呈线性关系, 且变化不大, 桥梁横向振幅并不总是随速度的增大而增大。而对于所通过的列车荷载而言, 该桥梁方案具有足够的竖向和横向刚度。

(二) 在所分析的速度范围内, C62货车通过该桥时机车司机台处横、竖向舒适度指标均达到“良好”标准以上, 货车车辆运行横、竖向平稳性指标也均达到“良好”标准以上;DF11客车通过时, 机车司机台处横、竖向舒适度指标均达到“良好”标准以上, 车辆乘客乘坐横、竖向平稳性指标也均达到“良好”标准以上, 也就是说列车行车安全性与舒适性均满足相关要求。

参考文献

斜腿刚构桥 篇2

由于斜腿刚构桥在结构上兼备梁与拱的特点, 所以笔者以长兴岛2#路桥上部计算为例分别建立梁模型与拱模型进行计算对比, 对斜腿刚构桥建模方式进行探讨。

1 桥梁概述

本桥与河道正交, 全长66.2m, 全宽30.5m。采用现浇预应力混凝土斜腿刚构结构, 梁体全长48.96m。斜腿与桥台由支座形成铰接。

桥梁全宽30.5m, 横桥向分为三榀变截面单箱双室预应力混凝土现浇箱梁, 三榀箱梁之间采用横向现浇板和横隔板连接。

1.1 桥梁主要技术标准

(1) 横向布置:

双向6车道;

(2) 设计速度:

60km/h;

(3) 设计荷载:

公路—Ⅰ级。

1.2 主要材料

(1) 混凝土:

C60混凝土;

(2) 预应力材料

预应力钢束采用ΦS15.2钢绞线, 其公称抗拉强度为fPK=1860MPa;弹性模量为EP=1.95×105MPa, 预应力锚下张拉控制应力为0.75fPK。

2 模型建立

本桥采用变截面预应力混凝土现浇箱式结构, 利用Midas软件对其进行结构静力计算。梁体采用后张法预应力构件, 结构验算考虑了施工和使用阶段中预应力损失以及预应力、温度、混凝土收缩徐变等引起的次内力对结构的影响。

以杆系理论为基础进行全桥整体结构分析, 构件类型为A类预应力构件, 其设计安全等级为二级, 构件制作方法为现浇。

2.1 梁模型概况

采用梁单元建立模型。其中梁单元共计434个, 节点333个, 结构离散图见图1。

对于模型成桥状态的边界条件, 见表1与图2。

注:X为纵桥向, Y为横桥向, Z为竖桥向。

2.2 拱模型概况

采用梁单元建立模型。其中梁单元共计440个, 节点333个, 结构离散图见图3。

对于模型成桥状态的边界条件, 见表2与图4。

注:X为纵桥向, Y为横桥向, Z为竖桥向。

2.3 施工阶段划分

主桥混凝土部分采用整体支架现浇施工, 先在支架上浇注混凝土, 进行养护, 当混凝土达到规定强度后张拉预应力钢筋, 最后进行桥面施工, 具体施工阶段划分见表3。

3 计算结果对比

梁模型和拱模型的持久状况承载能力极限状态验算、持久状况正常使用极限状态验算和持久状况和短暂状况构件的应力验算均满足规范要求。

以下主要就持久状况和短暂状况构件的应力验算情况对两种模型进行对比, 通过构件的应力状况对比可得出比较准确的结果。

3.1 施工阶段应力验算

根据施工阶段混凝土箱梁法向压应力图可知, 最大法向压应力出现在张拉通长束施工阶段和跨中处。

梁模型最大压应力为15.38MPa<0.7f′ck=21.56MPa, 拱模型最大压应力为15.63MPa<0.7f′ck=21.56MPa, 满足规范要求。

3.2 受拉区预应力钢筋拉应力验算

根据计算结果, 结合钢绞线施工阶段拉应力包络图, 最大钢绞线拉应力:

梁模型为1286.2 MPa<0.75fpk=1395MPa, 拱模型为1285.7MPa<0.75fpk=1395MPa, 满足规范要求。

3.3 正截面压应力验算

根据正截面压应力图可知, 梁模型最大斜截面压应力为19.13MPa<0.5fck=19.25MPa, 拱模型最大正截面压应力为19.22MPa<0.5fck=19.25MPa, 满足规范要求。

3.4 斜截面主压应力验算

根据斜截面主压应力图可知, 梁模型最大斜截面主压应力为19.13MPa<0.6fck=23.10MPa, 拱模型最大斜截面压应力为19.22MPa<0.6fck=23.10MPa, 满足规范要求。

4 总结

两种模型计算结果对比如下:施工阶段法向压应力梁模型比拱模型的计算结果小1.6%, 受拉区预应力钢筋拉应力梁模型比拱模型的计算结果大0.0004%, 正截面压应力和斜截面主压应力梁模型比拱模型的计算结果小0.005%。

可见, 两种模型计算结果差别很小, 采用拱模型得出的结果会偏大些, 但是在建立模型、输入数据的时候, 采用梁模型要比拱模型方便快捷很多。在设计斜腿刚构桥的时候, 设计者可针对设计的具体情况选择合理的模型建立方式。

参考文献

[1]翟炳孝, 郭成德.钢筋混凝土斜腿刚架桥计算实例[M].人民交通出版社, 1990.

[2]车宇琳.预应力混凝土斜腿刚构受力分析[C].道路立交工程及弯坡斜桥学术讨论会论文集.1986.

斜腿刚构斜桥上部结构分析 篇3

斜腿刚构桥在结构上兼具有梁和拱的特点, 因此呈现良好的受力特点, 与普通连续刚构桥相比, 斜腿的作用使主梁跨度缩短, 并为跨中提供免费的预应力, 大大消弱了结构的内力峰值, 使构件变得轻巧。一般的斜腿刚构桥都为正桥, 但在特定的条件下 (地形条件限制、特殊构造物要求) 会产生一部分斜腿刚构斜桥, 下面结合望城区旺旺东路张家湖中桥的实际工程设计, 就斜腿刚构斜桥的上部构造在计算理论和受力特点方面谈一下设计体会。

2 工程实例

2.1 工程概况

桥梁上部结构为现浇变截面箱型梁, 箱梁主跨跨径为25m, 边跨跨径为12m, 边、主跨跨径比为0.48。由于桥梁较宽, 且为斜桥, 考虑对桥梁的受力进行优化, 设计时需对主梁的长宽比进行控制, 故而本桥设置为2幅, 单幅主梁设置为2个箱体, 中间以箱梁悬臂板相连。主梁跨中梁高为1.2m, 斜腿处梁高为2m, 刚结点距梁端为12m。箱梁均采用单箱单室截面, 底板宽5.5m, 腹板厚0.5m, 悬臂长2m, 顶板厚0.25m, 底板厚0.25m;主梁梁端、斜腿顶、跨中均设置横梁。由于受规划河道的影响, 本桥设计为右偏112°。斜腿为变厚度的钢筋砼板, 各分幅斜腿分离, 斜腿中心轴线倾角为55°, 与主梁相连处厚为1.5m, 与承台相连处厚为0.7m。中幅、边幅斜腿横桥向与箱梁底板同宽。

下部构造桥台采用肋板式桥台, 台帽厚度为1.2m, 肋板厚度为1m, 下设整体式承台, 承台厚度3m, 基础为φ150cm的钻孔灌注群桩, 桥梁所有桩基均为钻孔灌注桩, 按端承桩设计。

箱梁采用普通钢筋混凝土结构, 其中跨中腹板底部配置4层直径32的钢筋, 横向间距为12cm, 共计16根;斜腿处腹板顶部配置4层直径32的钢筋, 横向间距为12cm, 共计16根;其余位置顶底板均按照间距10cm配置直径32的钢筋。

2.2 计算分析

2.2.1 桥梁博士软件计算分析

本桥先采用桥梁博士平面杆系软件进行分析, 按照单梁模式进行建模, 考虑到斜腿部分对桩基存在水平推力, 采用上下部整体建模, 全桥划分为161个单元。

计算主要结果如下:上部主梁承载能力均满足规范要求;上部主梁跨中最大挠度为1.8cm, 小于规范容许值L/600;上部主梁截面最大裂缝为0.13mm, 小于规范容许值0.2mm。桩顶最大水平位移0.8cm, 小于规范容许值1cm。

2.2.2 Midas软件计算分析

为了分析斜腿刚构桥在有斜度的情况下与正桥的差异, 特别是主梁的受力情况差异, 本桥又采用Midas空间计算软件进行分析, 全桥共分为379个节点, 402个单元, 全桥采用杆系单元建模, 其中, 桥梁上部结构采用梁格法模拟。

计算结果为:上部主梁承载能力均满足规范要求;上部主梁跨中最大挠度为1.5cm, 小于规范容许值L/600;上部主梁截面最大裂缝为0.11mm, 小于规范容许值0.2mm。桩顶最大水平位移0.5cm, 小于规范容许值1cm。

3 设计体会

通过采用桥梁博士和Midas计算软件对斜腿刚构进行有限元分析, 得出如下设计体会。

3.1 斜腿刚构斜桥上部结构的受力特点

斜腿刚构斜桥上部结构综合了斜梁桥、拱桥和连续刚构桥上部结构的受力特点, 从计算分析上表明结构受力非常复杂, 主要特点如下:

(1) 由于斜交角的影响, 通过midas空间计算软件得出主梁钝角处受力远大于锐角处, 钝角处支座反力达到2000k N, 锐角处支座反力仅为1000k N。

(2) 斜桥在外荷载作用时, 外荷载产生的合力不通过转动中心, 对转动中心产生不平衡的力矩, 引起桥梁在平面内的平移。

(3) 由于斜交角影响, 在特定条件会丧失预压力。

(4) 由于荷载作用于斜梁桥的平面形心时, 反力分布不对称, 导致主梁产生比较大的纽矩。

3.2 斜腿刚构斜桥上部构造的结构设计处理

根据有限元计算结果和结合其它斜梁桥、拱桥及连续刚构桥的设计经验, 作出如下处理措施: (1) 斜腿刚构桥在有斜交角的情况下, 在特定条件会丧失预压力, 因此本次设计主梁在梁高尺寸均按照竖直连续刚构桥的尺寸考虑, 并且增加了含筋量。 (2) 斜腿刚构桥在有斜交角的情况下, 钝角处受力较大, 因此在钝角处增加了角耦加强钢筋。 (3) 考虑到扭矩效应, 本次设计采用箱形断面, 同时加强了腹板抗扭箍筋, 均采用16号钢筋。 (4) 由于斜腿刚构桥具有拱桥的一些性质, 因此对水平位移非常敏感, 本次设计通过计算最大水平位移值为0.8cm, 小于规范容许值1cm, 但为了增大安全储备, 在承台后设置齿板, 增大抗滑作用, 抑制斜腿水平位移。 (5) 本次斜腿刚构桥桥台基础没有嵌入岩石, 而是通过承台及桩基础承担推力, 为减小斜腿的推力作用, 本次设计增大了斜腿的水平角 (水平角为55°) 。

结语

斜腿刚构斜桥上部构造的设计计算比较复杂, 它不同于正的斜腿刚构桥, 它的受力更具有独特性, 但通过精细的有限元分析计算, 我们可以较为准确地掌握其结构的受力行为, 针对其独特的受力特点, 在设计中采用相应的有效措施, 是可以设计出较为可靠且经济适用的桥梁的。

参考文献

[1]凌建明, 官盛飞, 崔伯恩.重庆市公路水毁环境区划指标的研究[J].水土保持通报, 2008, 28 (03) :141-147.

[2]童第科, 王俊杰, 李海平.某山区公路高切坡失稳原因及工程加固[J].工业建筑, 2009, 39 (S1) :720-724.

[3]刘红岩, 王媛媛, 秦四清.降雨条件下的基坑边坡渗流场模拟[J].工业建筑, 2007, 37 (10) :50-53.

斜腿刚构桥 篇4

当前高速公路桥梁建设中,为体现“一桥一景”的景观要求,常将斜腿刚构桥作为首选方案。然而,随着路网的迅速发展,跨越主线斜腿刚构桥逐步成为主干道扩容改建的“瓶颈”,而直接拆除新建又会造成较大浪费,若继续利用就必须对原桥实施技术改造。鉴于主线道路多有交通保通的需求,上跨分离式桥梁改造难度较大。因此,对这类斜腿刚构桥技术改造具有一定的代表性[1,2]。

与传统的结构构件加固、细节改善等方法相比,体系转换法是桥梁加固改造中一种更加灵活的技术,在大量桥梁结构升级改造中得到应用。斜腿刚构桥受力有别于传统梁板桥,斜置支撑既提供主梁轴向力,又通过斜腿与主梁节点改善结构弯矩分布,因而,桥梁技术改造有一定的复杂性[1,3]。

本文结合某高速公路分离式立交斜腿刚构桥梁,对高速公路改扩建中已有斜腿刚构天桥再利用的改造方案进行了技术探讨,介绍了几种基于体系转换的技术改造方案,并对其进行了对比,推选出优选方案。理论分析与实践表明,采用体系转换法进行既有桥梁改造是可行的,在方案选择和实施改造方面具有一定的优越性。

1 工程概况

某高速公路分离式立交桥桥型布置见图1。桥的上部为13.7m+26.7m+13.7m现浇钢筋混凝土斜腿刚构,下部为重力式桥台,桥梁全宽5m,净宽4m,桥面两侧对称设置混凝土墙式护栏,桥梁横断面见图2。该桥为人行桥,设计人群荷载3k N/m2。

图1 桥型布置示意图(立面)

图2 桥梁横断面示意图(单位:mm)

由于交通规划建设的需要,下穿高速公路两侧各需增加一个附加车道,因此,交叉处高速公路路基需要由28m拓宽至36m,桥位平面示意见图3。斜腿刚构桥的设计跨越能力是与原有路基宽度相适应的,路基宽度增加,现有桥梁跨径不再适合扩宽后的高速公路。因此,该斜腿刚构桥需进行改造。

图3 桥位平面示意图

2 桥梁改造方案构思

高速公路改造工程中对原有天桥的处理主要有:拆除新建、利用和保通。考虑到高速公路路基拓宽后,斜腿刚构桥的斜腿部分势必会侵占下穿高速公路的净空范围。鉴于下穿高速公路车流量较大,交通不能断行,若采用原址新建桥梁,将会对高速公路的正常运营带来较大影响。因此,该桥梁的处理归结于桥梁能否继续在原址利用。综合业主与相关工程施工单位的意见,在对原结构进行外观技术检查的基础上,推荐原桥原址改造。

2.1 改造方案关键因素

根据桥型“梁+柱”的受力特征,技术改造中需考虑以下因素:

(1)如何扩宽:斜腿刚构桥由于需要其斜向支腿来缩减桥跨结构的跨径、减小梁体的弯矩效应,若冒然对斜腿实施凿除切割,结构承载能力将大幅下降,甚至不能承载自身重量。因此,在采用拆除斜腿来满足桥下有效净空基础上,必须充分论证桥梁斜腿拆除的顺序,保证结构安全。

(2)新结构受力要求提高:通常斜腿刚构桥上部梁高较同等跨径钢筋混凝土梁小。原桥斜腿刚构拆除后上部梁体将由“偏压梁柱结构”变成为“纯受弯梁”,见图4。在外荷载不变的情况下,拆除斜腿后的新结构不能满足抵抗弯矩的尺寸要求,不能通过后期直接整补普通钢筋来满足结构抗弯承载能力的需求。

图4 斜腿拆除前后梁体受力变化示意

2.2 技术改造方案

该桥改造思路主要有:①维持原结构体系,改善结构受力;②改变结构体系,优化应力分布。

道路桥梁构造物的改造设计,应本着因地制宜的原则,选取结构安全、合理、造型美观及经济价值较高的方案,将理论设计与现场施工融为一体[2,4]。根据以往设计经验,结合斜腿刚构体系本身刚架拱的特性,常见斜腿刚构结构体系改造方法有:施加体外预应力、变换结构体系等。

基于前述因素并查阅竣工文件,拟定在保持梁体尺寸不变的基础上,通过保持或缩减桥梁计算跨径来降低荷载的弯矩效应,优化梁体受力,并提出四种改造方案:①方案一:双塔斜拉体系:单索+体外预应力;②方案二:双塔斜拉体系:交叉索+体外预应力;③方案三:独塔斜拉体系;④方案四:双塔悬索体系。各体系改造方案桥型示意见图5,四种改造方案的优缺点对比如下:

方案一:优点:施工相对易于控制,施工中间环节较少;改造后的结构体系较为简洁,明快;工程造价较低。缺点:横梁受力较为复杂;转向块施工工艺要求较高。

方案二:优点:异形结构,结构新颖;施工控制工作量相对较少。缺点:施工中间环节较多;吊杆与拉索结合处需要特殊处理;工程造价较高。

方案三:优点:施工相对易于控制,施工中间环节较少;改造后的结构体系较为简洁,明快;工程造价较低。缺点:横梁受力较为复杂;独塔结构对下部基础承载能力要求较高,且塔身尺寸较大;高速公路主线绿化带下管线干扰;基础开挖对主干线产生影响;主干线施工便利性差。

方案四:优点:改造后的结构体系较为简洁。缺点:增设横梁多,结构恒载增加明显,工程量较大;施工控制难度较大,施工工艺要求高。

通过上述方案比较,推荐方案一,即:“双塔斜拉体系:单索+体外预应力”方案进行该桥的原址改造。

图5 体系改造方案桥型示意

3 推荐方案分析

双塔斜拉体系:单索+体外预应力,使结构发生了根本变化。结构跨径虽保持与原结构大体一致,但中跨主梁受力明显改变;结构体系也由原梁柱结构刚架体系变为柔性索结构体系,结构整体刚度有所降低。因此,采用此方案对原桥进行改造,还必须解决如下问题:

(1)主梁抗弯、抗裂性能:改造后结构主梁持久承载能力状态和正常使用状态均需满足原设计规范的要求。

(2)斜拉索索力平衡:主梁上斜拉索锚固点传力方式既改变了主梁的受力状态又影响索自身的平衡,因此,斜拉索要直接锚固在原斜腿根部结点处,采用体外预应力来平衡中跨梁体因斜拉索索力带来的较大水平向分力。

(3)斜拉索端锚固型式:考虑桥梁自锚条件受限,应在桥梁段设置地锚。

(4)索塔稳定性及索体振动控制问题:通过优化索塔构造尺寸,强化索塔垂直度施工控制来提高索塔自身的稳定性。

采用Midas Civil程序对原桥结构和改造后结构进行计算[5,6]。原桥结构有限元模型中采用了包括主梁、斜腿、支座、节点约束在内的整体结构模型,见图6。推荐方案中增加了索单元(斜拉索)、桥墩单元,见图7。考虑该桥已建成5年,且为钢筋混凝土结构,计算中不计收缩徐变的影响。

表1为计算所得改造前后主梁的内力。由表1可知,体系改造后,原斜腿刚构T形刚结点对主梁弯矩分配的影响消除,主梁支点负弯矩明显降低;中跨跨中正弯矩与原桥基本相当,边跨跨中弯矩有所增加。桥梁边跨跨中正弯矩比中跨跨中正弯矩均能够承载能力要求。因此,原结构普通钢筋满足受力需求,桥面无需增设纵向钢筋。斜拉索张拉后,竖向力大部分由斜拉索承担,减小了边支座的反力,使得改造后主梁各截面剪力都有所减小。改造后主梁各截面剪力与原桥相比均有所下降,故不必再验算抗剪能力。

图6 原结构有限元模型

图7 改造方案一有限元模型

表1 改造前后主梁内力比较

经过模型对比,梁端支座在改造前后梁端支座支承反力基本相当。计算所得原结构端支座反力为399.9k N,改造后端支座反力为236.3k N。改造后由于解除了斜腿部分的恒载作用,端支座反力略有降低,故原支座满足竖向承载能力要求。

原桥经过体系改造后,结构配筋能满足改造后结构内力要求。因此,推荐方案(双塔斜拉体系:单索+体外预应力)是较为可行合理的改造方法,具有较好的实施操作性和适中的经济性。

4 改造施工监控

该桥的改造能否实现设计意图与施工组织及控制技术的周密详尽有密切关系。因此,改造施工过程中必须做好以下工作:①施工工序流程控制,强化同步控制原则;②桥梁施工支架的安全性措施;③地锚稳定性观测;④主梁挠度观测和应变观测;⑤主塔线形观测。

通过方案优选及施工质量控制,该桥的改造达到了预期的目的,改造完成后的桥全景图见图8。

5 结语

高速公路上分离式立交的改造再利用工程在干线改扩建过程中具有一定代表性,特别是斜腿刚构这一广泛应用的天桥型式。通过分析斜腿刚构桥的特点,并结合现场条件,对桥梁改造提出了四种改造方案,对比并择优选择了一种切实可行的改造措施。桥梁改造是一项设计与施工于一体的综合技术,既有道路的正常通行对改造实施带来了挑战和难度,也为前期桥梁改造方案决策提出了更高的要求。本文针对斜腿刚构桥的再利用改造研究,可为今后类似工程提供借鉴。

图8 改造竣工后的桥梁

参考文献

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