一、桥梁设计的总原则
桥梁设计几乎涵盖了所有的桥梁类型, 桥梁结构自身的安全性需靠可靠的结构计算分析成果和合理的构造处理措施来保证。除了要考虑恒载、活载、地震荷载、施工荷载及其它荷载等, 还应注重考虑强风荷载、雪荷载、冻胀力、水力等对桥梁产生的影响。对于一些受地形条件限制较严格的路段, 桥梁布设会出现高墩大跨结构, 因此下部结构的刚度分配、稳定性分析等都是桥梁设计时不可缺少的考虑内容。
对于无法采用标准跨径结构的桥梁以及互通式立交中弯曲半径较小的匝道桥梁则常采用钢筋混凝土现浇结构及预应力混凝土现浇结构桥梁。另外, 所选桥型的造价是否合理是一个非常现实的问题, 所以桥梁设计不但要考虑其技术的可行性, 更重要的是要考虑所选桥型的经济指标是否达到了最佳范围。因此桥梁应根据工程所处的地理环境和施工条件进行多方案的技术经济指标论证, 以期获得最佳方案, 从而节约工程费用, 取得良好的经济指标。同时, 桥梁建设更应该在注重环保的基础上与周围自然景观环境相协调, 尽量减少对植被的破坏, 降低对河流的污染。
总之, 桥梁设计的总原则可以归结为: 结构安全, 使用舒适, 经济性好, 施工养护容易, 造型优美与自然相协调。
二、桥梁预制梁、板布设问题
桥梁最常见的桥梁结构就是预制结构。预制结构桥梁就是桥梁的上部结构(板、箱梁或T梁)在预制场地提前预制好后, 通过施工机械直接架设到桥梁的下部结构上。预制结构桥梁的优点是设计简单、施工方便快捷、节省造价。因而, 可以从设计到施工上批量生产的预制结构桥梁成为桥梁设计方案的首选。但是, 对于预制结构桥梁来说, 它也有一些局限性。首先, 预制桥梁的上部结构理论上讲必须是标准长度跨径。因而, 如何合理的应用标准跨径板、梁来布设桥孔方案是预制结构桥梁最基本的问题。其次, 预制结构板、梁除了跨径都为标准跨径外,它自身结构也都为直线结构。然而, 有时由于地形地势的影响, 往往其平面线型均带有一定的曲线半径, 因此, 直线预制的板梁如何布设到平曲线上, 并且整体线型必须满足平曲线的线型布置便是预制结构又一突出的问题, 也就是直线结构在曲线线形上的拟合问题。总之, 预制结构桥梁方案拟定的合理与否以及预制梁、板布置方法的优劣将会对该桥的施工进程、造价产生严重的影响。只有合理的方案拟定, 科学的板、梁布置才能充分发挥预制结构标准化、装配化的优点。
需要注意的是, 预制结构桥梁方案拟定好之后, 在做细部设计时,最先遇到的问题就是预制板或预制梁的布置问题。预制的板、梁结构一般都是直线结构, 往往就会产生出很多细节上的矛盾。如果板、梁布置的精巧合理, 就可以充分发挥预制结构可批量生产的优势, 加快施工进度, 降低造价。反之, 如果板、梁布置不当, 往往非但不能提高施工效率, 反而会给工程建设增加难度, 影响施工进度, 为了求快反而慢, 增加费用, 得不偿失。因而, 解决好上部构造梁、板布置与平面曲线的适应关系是设计好预制结构桥梁的一个关键问题。因此, 桥梁设计工作者,做预制结构桥梁设计时, 在梁、板布置方法上需下功夫, 选择一个更加巧妙的布置方法, 尽可能的充分发挥预制结构的优点。
三、预应力混凝土现浇梁桥上部结构应力问题
在桥梁方案拟定中, 对于非标准跨径的结构, 都采用钢筋混凝土现浇桥梁或预应力钢筋混凝土现浇结构。现浇桥梁结构设计中, 关键问题就是做好上部结构的内力计算, 尤其是预应力结构的钢束配束和应力分析。
预应力混凝土现浇梁桥的配束原则: ① 应选择适当的预应力束筋的型式与锚具型式, 对不同跨径的梁桥结构, 要选用预加力大小恰当的预应力束筋, 以达到合理的布置型式。避免造成因预应力束筋与锚具型式选择不当, 而使结构构造尺寸加大。因为, 当预应力束筋选择过小, 每束的预加力不大, 在大跨结构中造成布束过多, 因构造尺寸限制布置不下时, 则要求增大截面。反之, 在跨径不大的结构中, 如选择尺寸与预加力很大的单根束筋, 也可能使结构受力过于集中而不利;② 预应力束筋的布置要考虑施工的方便, 也不能如钢筋混凝土结构中任意切断钢筋那样去切断预应力束筋, 而导致在结构中布置过多的锚具。由于每根束筋都是一巨大的集中力, 这样锚下应力区受力复杂, 因而必须在构造上加以保证, 为此常导致结构构造复杂, 而使施工不便; ③预应力束筋的布置, 既要符合结构受力的要求, 又要注意在超静定结构体系中避免引起过大的结构次内力; ④预应力束筋的配置, 应考虑材料经济指标的先进性, 这往往与梁桥体系, 构造尺寸、施工方法的选择都有密切关系; ⑤预应力束筋应避免使用多次反向曲率的连续束, 因为这会引起很大的摩阻损失, 降低预应力束筋的效应。
需要注意的是, 预应力混凝土连续梁桥做结构设计时, 各个截面的应力是有一定的取值范围的。最好将结构设计为全预应力结构, 各个截面没有拉应力而有一定量的压应力储备。若无法通过调束使各个截面均为压应力, 则允许个别截面存在拉应力, 拉应力的取值以不超过2MPa为宜, 即各控制截面允许出现不使截面开裂的拉应力。
四、桥梁下部柔性高墩的设计方法
近年来, 为了减少工程材料、降低工程造价, 设计人员在高墩桥梁下部结构设计中希望应用柔性墩台的理论设计出柔性桥墩, 利用桥墩自身的变形(即墩顶水平位移) , 通过上部结构传递桥梁及墩台承受的各种水平力(包括温度力)来实现桥梁下部构造轻型化, 同时也减少水平外力对桥梁上部结构的影响。但同时, 柔性高墩的结构计算工作也成为高墩桥梁下部结构设计中的重点难点问题。
首先, 集成刚度法的概念。集成刚度法是指把单层多跨结构, 逐跨浓缩为两端具有抗推的弹性支承的单跨结构, 从而逐跨解析结构内力。结构抗推(拉)的刚度用一弹簧表示, 利用弹簧模型的串、并联关系模拟刚度的集合。集成刚度法计算柔性桥墩的主要概念有两点, 一是用串联的和并联的弹簧结构来模拟柔性墩及其支座, 二是由一端岸墩起逐孔的将若干孔桥梁的总抗推刚度推算出来, 称为集成刚度, 用以解算全桥的位移和受力。对于连续梁桥, 墩顶橡胶支座可视作水平弹性支承,故桥墩与其支座的集成刚度可认为是串联关系, 而各个桥墩之间, 由于有共同的上部结构连接因而位移相同受力却各自分担, 可认为各个桥墩之间是并联关系。在应用集成刚度法的具体计算过程中, 应该注意在首次水平力计算完毕后, 应对各墩台分配到的水平力和桥梁支座摩阻力进行比较, 确定是否需要再分配计算。
下部墩柱水平力的计算。下部墩柱水平力主要包括汽车制动产生的水平力和温度变化产生的水平力。集成刚度法就是通过计算出一联桥墩台各自的刚度以及该联桥的总抗推刚度, 通过各墩台自身刚度占该联桥总抗推刚度的比例来分配该联桥的制动力和温度力, 以求解各墩台所承受的水平力。然后通过该水平力求得墩台所承受的最大弯矩, 并计算出墩台的竖向力, 进行配筋计算和裂缝验算, 完成整个墩台的下部结构设计。
四、结语
综上所述, 文章对桥梁上部结构设计中预制结构的方案拟定和梁、板布置问题进行了全面的分析, 对桥梁上部结构设计中预应力混凝土现浇结构配束过程中应力做了分析, 对柔性高墩的设计方法进行了分析研究,给出了相应的研究结论, 希望对于我国桥梁设计起到一定的借鉴作用。
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