剛性伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

李 路

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

橋梁伸縮裝置是公路橋梁路面的重要組成部分，主要用于適應(yīng)橋梁的溫度伸縮、混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的收縮和徐變，以及橋梁上部結(jié)構(gòu)在荷載作用下所引起的橋梁伸縮變位，以保證橋上車(chē)輛通行的安全性和舒適性。

橋梁伸縮裝置應(yīng)能同時(shí)滿足將作用其上的荷載可靠地傳遞到橋梁主體結(jié)構(gòu)上，又能適應(yīng)橋梁必要的變位需求。

當(dāng)前，橋梁伸縮裝置[1]的類(lèi)型繁多，按其傳力形式以及構(gòu)造特點(diǎn)可以分為：對(duì)接式、鋼制支撐式、橡膠組合剪切式、模數(shù)支撐式、無(wú)縫式等。

除常規(guī)伸縮裝置外，為了滿足特殊結(jié)構(gòu)的需要，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)伸縮縫的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程需要，充分發(fā)揮想象力，從而設(shè)計(jì)出能夠滿足結(jié)構(gòu)伸縮需求的一系列伸縮裝置，如成功應(yīng)用在嘉紹大橋的剛性鉸[2]，以及瑪格巴-模數(shù)伸縮裝置。受其啟發(fā)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中根據(jù)工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)出具有一定伸縮功能同時(shí)能夠傳遞彎矩與剪力的剛性伸縮裝置。

1 工程概況

某主跨為1-120 m提籃式拱橋，分為主橋及人行輔橋如圖 1所示。橋梁主橋部分為單跨120 m的提籃式拱橋，按雙向六車(chē)道城市支路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度30 km/h，實(shí)際設(shè)計(jì)中汽車(chē)荷載按照城-A級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主橋全寬31.8 m。主橋采用中承式鋼箱拱橋，主橋拱圈為雙肋單箱單室變截面鋼箱拱。主拱肋分為鋼箱拱肋和實(shí)心矩形預(yù)應(yīng)力混凝土(拱腳至下橫梁之間)兩部分。人行輔橋分為兩部分，第一部分采用開(kāi)口截面，通過(guò)工字型挑臂與主橋相連。第二部分為鋼箱截面，立面采用1.7次拋物線。人行輔橋梁高為1 m，寬度為變寬設(shè)計(jì)，由跨中2.5 m漸變至梁端6.5 m。為減小鋼箱段的受力，降低梁高，人行輔橋鋼箱梁段中間部位支撐于拱圈上設(shè)置的挑梁上。組成人行輔橋的兩部分之間通過(guò)伸縮裝置進(jìn)行連接。

圖1 1-120m鋼箱拱橋橋型布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在人行輔橋開(kāi)口部分與箱型部分之間設(shè)置接縫，并在相應(yīng)的端部設(shè)置支座，支座支撐在由主橋橋面系伸出的箱形挑臂上，其支座布置如圖 2所示。

圖2 接縫處支座布置

根據(jù)接縫處支座布置形式建立全橋整體模型，計(jì)算得出在不同荷載組合下支座反力情況,見(jiàn)表1。

表1 接縫處支座反力匯總表

可見(jiàn)，在正常使用情況下開(kāi)口側(cè)支座存在支座負(fù)反力，開(kāi)口側(cè)負(fù)反力相對(duì)于箱形側(cè)的支座反力較小，因此考慮在此處設(shè)置一伸縮裝置，如此既能滿足結(jié)構(gòu)在此處的伸縮要求，又能傳遞剪力，從而解決開(kāi)口側(cè)拉壓支座價(jià)格昂貴以及支座定期檢測(cè)和更換的問(wèn)題。通過(guò)在開(kāi)口一側(cè)設(shè)置一長(zhǎng)70 cm箱形插銷(xiāo)，箱形插銷(xiāo)長(zhǎng)84 cm寬40 cm，箱形輔橋?yàn)閱蜗蛉医Y(jié)構(gòu)，在中室上下設(shè)置加勁，加勁面與插銷(xiāo)面均設(shè)置四氟滑板以保證兩者在順橋向能夠自由滑動(dòng)，在側(cè)面設(shè)置支擋，支擋面與插銷(xiāo)豎面之間設(shè)置橡膠墊塊，從而起到約束開(kāi)口側(cè)的橫向位移，伸縮裝置立面及斷面如圖3所示。

圖3 伸縮裝置布置圖

3 靜力計(jì)算

建立人行輔橋剛性伸縮裝置ANSYS局部模型，在接縫處開(kāi)口部分輔橋出現(xiàn)最大負(fù)反力以及最大反力的工況下，對(duì)插銷(xiāo)及箱形輔橋支撐體系進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 工況一：開(kāi)口部分輔橋出現(xiàn)最大反力

在工況一時(shí)，插銷(xiāo)部分的應(yīng)力及豎向變形如圖4所示。

圖4 工況一插銷(xiāo)部分mises應(yīng)力與豎向變形

由圖4可以看出，在工況一時(shí)，插銷(xiāo)部分處最大應(yīng)力為155 MPa，位于支撐位置處，其余部分應(yīng)力水平相對(duì)較低；插銷(xiāo)部分懸臂端部與根部相對(duì)位移為1.41 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

在工況一時(shí)，支撐位置的應(yīng)力及豎向變形如圖5所示。

圖5 工況一支撐位置mises應(yīng)力與豎向變形

由圖5可以看出，在工況一時(shí)，對(duì)應(yīng)插銷(xiāo)位置處箱形輔橋加勁處最大應(yīng)力為75.9 MPa，該處豎向最大變形為0.14 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 工況二：開(kāi)口部分輔橋出現(xiàn)最大負(fù)反力

在工況二時(shí)，插銷(xiāo)部分應(yīng)力及豎向變形如圖6所示。

圖6 工況二插銷(xiāo)部分mises應(yīng)力與豎向變形

由圖6可以看出，在工況二時(shí)，插銷(xiāo)部分處最大應(yīng)力為59.9 MPa，位于支撐位置處，其余部分應(yīng)力水平相對(duì)較低；插銷(xiāo)部分懸臂端部與根部相對(duì)位移為0.54 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

在工況二時(shí)，支撐位置應(yīng)力及豎向變形如圖7所示。

圖7 工況二支撐位置mises應(yīng)力與豎向變形

由圖7可以看出，在工況一時(shí)，對(duì)應(yīng)插銷(xiāo)位置處箱形輔橋加勁處最大應(yīng)力為33.0 MPa，該處豎向最大變形為0.12 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

由此可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)能夠滿足接縫處的受力特性，而由于插銷(xiāo)與支撐處的自由行程相對(duì)較大，因此亦能滿足結(jié)構(gòu)伸縮需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，該項(xiàng)目根據(jù)接縫處結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的剛性伸縮裝置不僅能夠滿足結(jié)構(gòu)伸縮要求，而且能夠通過(guò)箱形側(cè)的較大的正反力，抵消開(kāi)口側(cè)輔橋處的負(fù)反力。該做法即可以省去采用原始伸縮裝置所遇到的疲勞老化問(wèn)題，又能免除拉壓或抗震支座的需要更換的煩惱。