桥梁整体刚度提高的几点思考

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摘要:提高整体刚度的方法主要有三个方面:自身刚度、结构体系和加劲措施。通过改变主梁刚度、改变截面形式、改变结构体系、设置体外预应力索以及增设辅助墩等都可以有效的增加结构的整体刚度。文章探讨了如何提高桥梁整体刚度,供相关人员参考。

关键词:整体刚度;自身刚度;结构体系;加劲措施

中图分类号:U445文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0141-02

桥梁结构的整体刚度在很大程度上决定了桥梁的承载能力,各结构构件的刚度又决定了荷载作用下的内力分配。对于大跨径的桥梁,如何有效的提高其整体刚度,成了桥梁设计者们面临的重大问题。

一、刚度的组成

由材料力学、结构力学和弹塑性力学的知识可知,一座桥梁的整体刚度由以下几个方面组成:桥梁结构构件的自身刚度、结构体系和加劲措施组成。

(一)改变主梁刚度来提高整体刚度

增加主梁刚度是提高整体刚度最常用的方法之一。通过改变主梁的结构形式,如采用箱型截面或是增加横向联系等方法在一定程度上提高整体刚度。但在增大主梁刚度的同时一般是伴随着主梁自重的增加,要想在大幅度提高主梁刚度的同时不增加梁体的自重,一般很难做到。对于跨径很大的桥梁来说,自重是其主要荷载之一,故此法主要应用于跨径相对较小的桥梁中。

对于斜拉桥,还有索塔的影响。索塔的刚度是整体刚度的一个很重要的组成部分,增大索塔的刚度可以很好地控制塔顶变位和跨中挠度,对于提高整体刚度效果明显。在现代的斜拉桥中,增大索塔刚度的方法一般是将索塔做成门架式、A型、倒Y形,花瓶型(折线H型)和钻石型等,这些塔型自身都有很大刚度,能抵抗较大的弯矩。

通过提高索塔的刚度来提高整体的刚度的一般具体形式是:将索塔直接做成刚性塔或是做成两半刚性塔的互相协作体系。

(二)截面形式转变

改变截面形式提高整体刚度是最简单直接也是最好用的方法之一。通过改变截面的形式,实现应力的重新分布,使得应力分布更合理,更均匀。

在旧危桥加固中,T变箱技术就是通过改变截面的形式来提高整体刚度,从而提高承载能力,减小跨中挠度。通过在相邻T型截面的底部粘贴一层钢板或现浇一层混凝土,将原有的T型截面变成箱型截面,使得截面的受压区域面积增大,抗弯、抗扭刚度实现不同程度的提高。此技术获得国家专利,在西南地区的旧危桥加固抢险工程中,发挥了重大的作用,为国家节约了大量资金和时间。

(三)结构体系的改变

与截面形式改变提高整体刚度一样,现有的工程实例证明,通过改变结构体系可以有效的改变结构的受力状况,实现整体刚度的提高。以下介绍几种较常用的方法:

1.简支变连续。简支梁由于其结构特点,跨中弯矩很大,支点附近弯矩很小。这样的受力状况,不但受力不均匀,而且没有完全发挥材料的自身特点。将简支梁变成连续梁后,跨中的弯矩会有效减小,但支点处的副弯矩会增加,通过合理的布置钢筋,可以解决此问题。由于施工简单,效果明显,在实际工程中,还是有很大市场的。

2.变大跨径为小跨径。此种方法,其实在很多工程中都有应用。斜拉桥的基本受力原理就是将通过设置斜拉索,利用斜拉索提供的支持,将大跨径变成了只有索距大小的跨径,实现跨中弯矩和挠度的减小,提高整体刚度。

在旧危桥加固和大件运输的工程中,通过在跨中某个位置设置支持,将大跨径变成小跨径,实现提高承载力的效果。

3.增设纵梁。在墩台地质环境好,有足够承载力的情况下,可通过增设承载力高和刚度大的新纵梁来提高整体刚度。对承载力不足的基础,应对其采取加固措施。新增主梁与原主梁应实现有效的连接,使二者共同受力,从而提高桥梁承载力。当新增主梁位于两侧时,则兼有加宽的作用。

(四)张拉体外预应力索来提高结构整体刚度

设置体外预应力索,在大跨径桥梁加固中,应用很广,效果也很明显。体外预应力索自身伸缩引起的位移主要由外荷载和拉索的刚度控制。除去外荷载的影响,选择刚度较高的拉索对结构来说,是十分有益的。对于拉紧了的拉索来说,当其垂度的影响忽略不计时,在其无阻尼时的自由振动微分方程为:

(1)

其中: x为沿索向的坐标;y(x,t)为拉索在t时刻垂直于索向的挠度;EI为索的抗弯刚度;t为时间,F为索内拉力,假定沿索均匀分布,并不随时间而变化;m为索单位长度的质量。

将此公式变形得到:

(2)

而拉索的惯性矩为IZ=,当d增大时,EI和m都增大了(对于由同一种钢丝组成的拉索来说),相应的F也随之增大,从而减小了塔顶的位移和跨中的挠度。从这个意义上来说,提高拉索的截面面积,是提高其刚度的一个直接且有效的方法。

但是对于大跨径的桥梁来说,拉索是很长的。在这种情况下,拉索很难被有效的拉直,保持有效的线型,非线性问题显得很突出。所以在设计时,不能直接应用拉索的固有弹性模量,应做一定的修正。

拉索的非线性影响通常用著名的Ernst公式计算拉索的有效弹性模量Ei来解决:

Ei=(3)

其中:E――拉索钢材弹性模量;

?酌――拉索容重,?酌=WS/AS,WS为拉索包括防护在内的单位长度重量,AS为钢丝面积;

L――拉索长度;

α――拉索水平倾角;

σ――拉索应力。

通过将式(3)代入式(2),化简后可以得到一个拉索内力F和拉索面积的一个非线性的关系式,但结果都是一样:在选用同一种钢材做拉索时,加大拉索的面积可以增大拉索的内力,从而提高整体刚度。

(五)设置辅助墩来提高整体刚度

在大跨径的桥梁中,设置辅助墩是常用的方法,尤其是在斜拉桥中。设置辅助墩,当中跨受荷载的时候,由于边跨墩间桥跨距离的缩小大大降低了边跨上挠的程度,使边跨中的拉索均有类似于边锚索的作用,从而减小了塔顶向主跨方向的位移,主跨的挠度也因此而降低;当边跨受荷载的时候,绝大部分的荷载均直接传入了墩中,而对拉索系统的影响并不大,桥塔,主跨中的变形和内力均得到改善。设置一个辅助墩,效果明显,设置两个辅助墩的时候,效果没有设置一个时那么明显了,但是仍有一定的作用,设置三个时更是如此,因此,在设置辅助墩时存在合理个数的问题。

设置辅助墩,相当于施加了一个作用,这种作用效果对全桥的影响是通过边跨、(次边跨)、主跨进而传至全桥的。由于此作用效果在传递的过程中,存在一个能量消耗的问题,具体对于多跨桥梁,在边跨设置了辅助墩,给全桥在设置处施加一个作用,此作用再传给次边跨及中跨的时候,能量从边跨到次边跨再到中跨逐个传递,逐渐消减,效果逐渐不明显。此消减效果与各跨间的主梁刚度有关。再者,辅助墩的设置可增大结构刚度,它对主梁竖向变形的影响较大,同时对其所在边跨的主梁应力也有较大影响,而对中跨和另一边跨主梁应力的影响较小。对于斜拉桥,此外辅助墩改善了尾索区斜拉索的受力状态,而对其他拉索的受力影响较小。在不考虑其他因素的情况下,辅助墩有利于减小索塔应力。

同时,多跨桥梁在边跨加设辅助墩后,在地震作用下,有可能产生较大的主梁内力,对结构抗震不利。增大了大桥发生颤振破坏的可能性,对大桥的抗风不利。在多跨桥边跨设置辅助墩后,无论在何种荷载作用下,在辅助墩顶处的主梁均会产生较大的弯矩值,从而降低了墩顶梁体的安全储备。在进行多跨桥的总体设计时,可通过调整跨孔径等方法,在取消辅助墩情况下仍能使桥塔在竖向荷载作用下不致产生过大的内力,这样就能同时提高多跨桥的抗震、抗风性能和边跨梁体的安全储备,节省工程造价。

二、结语

通过改变原有结构体系,使之变成一个更合理的结构体系,往往不是单独靠某种,或是某几种来实现的。科学的分析原结构,加上合理的选择和组合新措施,方可实现结构整体刚度的提高。

参考文献

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作者简介:汪晓霞(1972-),女,贵州贵阳人,贵州省交通规划勘察设计研究院高级工程师,研究方向:桥梁设计。