CN110717246B - 一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积位移破坏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积位移破坏的方法，涉及公路工程技术领域。所述方法包括以下步骤：获取曲线桥主梁在每次汽车荷载作用下产生的径向位移B；获取曲线桥主梁在每次汽车荷载作用消失时的径向位移恢复b；获取曲线桥主梁的汽车荷载次数n；计算曲线桥主梁累积径向位移，y_n＝2000(1.0005ⁿ‑1)(1.264‑b)，所述b<所述B；根据所述y_n数值在所述曲线桥主梁的桥墩处设置限位装置。本发明根据准确的数据，在设计或施工时对主梁采取相应的限位装置，可避免支座脱空带来的灾害，也给采取相应措施来防治爬移现象提供思路。

Description

一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积位移破坏的方法

技术领域

本发明涉及公路工程技术领域，尤其涉及一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积位移破坏的方法。

背景技术

随着曲线梁桥使用年限的增加，桥梁各种病害也随之而来，其中曲线梁桥的主梁爬移问题近年来也颇受重视。由于独柱墩曲线梁桥自身的特点，在外荷载作用下独柱墩曲线梁桥将会产生爬移，当爬移严重时，可能会导致主梁的倾覆。

在曲线梁桥的实际运营过程中，由于主梁截面的剪力中心和重心不在同一位置，所以存在严重地弯扭耦合效应，当车辆行驶在曲线桥上时，汽车荷载除了产生自身重力、制动力以外，还会产生离心力。离心力会使主梁产生横向位移，伸缩缝处错位同时伸缩缝间距拉大，造成伸缩缝处的剪切破坏，外荷载作用下，主梁横向爬移更为明显，当外荷载作用消失时，由于混凝土曲线梁桥自身重力以及特殊的结构形式，使横向爬移无法恢复到原位，导致“残留”位移。在外荷载反复作用下，这种“残留”位移累积越来越大，造成主梁较大的爬移，当横向爬移较大时可能会导致主梁倾覆。因此，确定汽车荷载作用下主梁累积横向位移的变化规律，避免支座脱空带来的灾害，对采取相应措施来防治爬移现象具有重大意义。

曲线桥爬移现象实际是曲线桥梁累计横向位移，现有技术大多采用软件模拟得出数据，通过数据分析得出汽车荷载造成主梁累计横向位移比较大，但并未明确提出两者之间的函数关系，对于主梁累积横向位移的计算较为麻烦，不能较准确的指导如何采取相应措施以防治上述爬移现象。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积横向位移破坏的方法，主要目的是准确、简单的计算汽车荷载对曲线桥主梁产生的累积横向位移，并可根据该位移给出准确可行的防治措施。

为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积位移破坏的方法，所述方法包括以下步骤：

获取曲线桥主梁在每次汽车荷载作用下产生的径向位移，记为B；

获取曲线桥主梁在每次汽车荷载作用消失时恢复的径向位移，记为b；

获取曲线桥主梁的汽车荷载次数，记为n；

计算曲线桥主梁的累积径向位移，y_n＝2000(1.0005ⁿ-1)(1.264-b)；

所述y_n为所述曲线桥主梁在汽车荷载作用n次后产生的累积径向位移，所述b<所述B；

根据所述y_n数值在所述曲线桥主梁的桥墩处设置限位装置。

作为优选，所述曲线桥的曲率半径为200m，预偏心为0m，曲线桥支座为盆式橡胶支座，所述B为1.264mm。

作为优选，所述限位装置包括刚性限位装置和弹性限位装置；所述刚性限位装置适用于下部结构抗推刚度较小的曲线梁桥；所述弹性限位装置适用于边墩较低或者下部结构抗推刚度较大的曲线梁桥。

作为优选，所述刚性限位装置根据不同桥墩类型分为Y型桥墩构造限位装置、双桥墩构造限位装置及独柱墩构造限位装置。

作为优选，所述弹性限位装置分为橡胶限位装置和弹簧限位装置；所述橡胶限位装置是在梁体和抗震挡块之间设置橡胶板或者橡胶支座；所述弹簧限位装置是采用弹簧与梁体的连接，当梁体发生变形时，弹簧也随之变形，弹簧的约束滑移量使得主梁受到限制从而达到径向限位的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设计了一种快速计算曲线桥在汽车荷载作用下主梁累积横向位移的方法，明确了二者之间呈指数关系，计算主梁累积横向位移比较方便，根据准确的数据，在设计或施工时对主梁采取相应的限位装置，可避免支座脱空带来的灾害，也给采取相应措施来防治爬移现象提供思路。

附图说明

图1是本发明实例提供的主梁单箱单室横截面图；

图2是本发明实例提供的模型图；

图3是本发明实例提供的车道荷载图；

图4是本发明实例提供的汽车荷载作用下曲率半径为200m的曲线梁桥主梁径向位移曲线图；

图5是本发明实例提供的汽车荷载作用下不同预偏心的曲线梁桥主梁径向位移曲线图；

图6是本发明实例提供的汽车荷载作用下不同爬移量的曲线梁桥主梁径向位移曲线图；

图7是本发明实例提供的汽车荷载作用下主梁偏移量和径向位移关系式；

图8是本发明提供的Y型桥墩构造限位装置；

图9是本发明提供的双桥墩构造限位装置；

图10是本发明提供的独柱墩构造限位装置；

图11是本发明提供的独柱墩构造限位装置。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

1.桥梁概况：曲线桥为90m长的三等跨箱梁桥，桥梁截面为单箱单室，中墩采用独柱墩支承，联端采用双支座抗扭支承。

2.材料信息：桥梁结构采用C50混凝土，其弹性模量B＝3.45×10⁷kN/m²，泊松比μ＝0.2，容重为25kN/m³；预应力筋采用公称直径为15.20mm，其弹性模量为E_p＝1.95×10⁵Mpa，标准强度为f_pk＝1860Mpa。

3.截面特性：选用单箱单室截面，箱梁高2.2m；腹板宽0.4m；顶板宽8.8m，顶板厚0.25m；底板宽3.6m，底板厚0.22m；根部与腹板以圆弧过渡，半径为2.239m。具体截面形式如图1所示，桥梁模型图如图2所示。

4.设计技术标准：根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中规定，汽车荷载为公路-Ⅰ级车道荷载，设计车速为60km/h，车道荷载示意图如图3所示。其中均布荷载标准值为q_k＝10.5kN/m；由于联长为90m大于50m，所以P_k＝360kN。计算剪力效应时，集中荷载标准值P_k应乘以1.2的系数。车道荷载加载位置为车道中轴线距防护墩1.4m处，即外侧车轮距防护墩0.5m处。

5.支座形式：支座均为盆式橡胶支座，支座平面布置如图4所示。

6.建立模型：采用MIDAS软件建立模型，分析汽车荷载作用下曲率半径为200m的曲线桥主梁径向位移如表1所示，并绘制成图如图5所示。

表1 汽车荷载作用下曲率半径为200m的曲线梁桥主梁径向位移(mm)

由表1和图5可知，在汽车荷载作用下曲线梁桥有向外侧滑移的趋势，其中主梁联端径向位移最小，中跨跨中处径向位移值最大，说明中跨跨中处为曲线桥在汽车荷载作用下主梁爬移的最不利位置。

曲率半径为200m时，考虑汽车荷载作用下预偏心对曲线梁桥主梁径向位移的影响，计算不同预偏心下的曲线桥的主梁径向位移，如表2所示，并绘制成图如图6所示。

表2.汽车荷载作用下不同预偏心曲线梁桥主梁径向位移(mm)

由表2和图6可知，在汽车荷载作用下预偏心对曲线梁桥联端处径向位移的影响很小，几乎可忽略不计，在桥梁所有位置处中跨跨中处径向位移值最大，主梁径向位移随着预偏心的增大而减小，其中预偏心为0m时中跨跨中径向位移值最大，故取预偏心为0m时主梁中跨跨中位置为计算位置。

综上所述，考虑曲率半径为200m、预偏心为0m时，在汽车荷载作用下不同偏移量的曲线梁桥跨中主梁径向位移如表3所示，并绘制成图如图7所示。

表3.汽车荷载作用下不同主梁偏移量的曲线梁桥径向位移(mm)

根据表3中的数据，由图7多项式拟合可得函数表达式为：

y＝0.0005x+1.264

式中，x—主梁径向偏移量(mm)。

由上述拟合公式可知，在汽车荷载作用下主梁径向位移随着主梁偏移量的增大而增大，二者之间呈线性关系。

汽车荷载消失时主梁径向位移会有所恢复。一般情况下，由于曲线梁桥设计时速以及支座类型的不同，导致其汽车荷载作用消失时恢复值也不同，此处假定在汽车荷载作用消失时曲线梁桥径向位移恢复值为b且保持不变。

由上述拟合公式可知，假定在主梁未发生径向偏移的情况下，汽车荷载第1次作用，主梁径向位移值为1.264mm，此时恢复值为b(b＜1.264mm)。因此汽车荷载第1次作用至作用消失时所累积的径向位移为(1.264-b)mm，即：

y₁＝(1.264-b) 公式(1)

汽车荷载第2次作用至作用消失主梁累积径向位移为：

y₂＝(0.0005y₁+1.264-b+y₁)＝(1+1.0005)×(1.264-b) 公式(2)

汽车荷载第3次作用至作用消失主梁累积径向位移为：

y₃＝(0.0005y₂+1.264-b+y₂)＝(1+1.0005+1.0005²)×(1.264-b) 公式(3)

以此类推，得到汽车荷载第n次作用至作用消失时主梁累积径向位移为：

y_n＝(0.0005y_n-1+1.264-b+y_n-1)＝(1+1.0005+1.0005²+…+1.0005^n-1)×(1.264-b)

根据等比数列求和公式可得：

所以，y_n＝2000(1.0005ⁿ-1)(1.264-b)公式(4)

即曲线桥在汽车荷载作用下主梁累积横向位移表达式为：

y_n＝2000(1.0005ⁿ-1)(1.264-b)；

式中，n—汽车荷载作用次数；

b—汽车荷载作用消失时曲线梁桥径向位移恢复值，单位为mm。

通过公式(4)可得如下结论：主梁累积径向位移和汽车荷载作用次数呈指数关系，即随着汽车荷载作用次数的增加，其累积径向位移呈指数增大，主梁累计径向位移越来越大，反过来会影响曲线桥的变形，造成恶性循环。主梁累计横向位移太大造成的支座脱空也是其带来的灾害之一。所以，计算曲线桥在汽车荷载作用下主梁累积径向位移，为主梁设计相应的限位装置来防治累计径向位移，即爬移现象的发展，具有一定的经济效益。

关于限位装置的设置

针对防治曲线梁桥径向位移问题，可以从构造方面设置限位装置来限制，同时对于已经产生爬移的桥梁也可以用此方法来限制爬移的再次发生。

限位装置可分为刚性限位装置和弹性限位装置。刚性限位装置一般适用于下部结构抗推刚度较小的曲线梁桥，弹性限位装置一般适用于边墩较低或者下部结构抗推刚度较大的曲线梁桥。

(1)刚性限位装置

刚性限位装置根据不同的桥墩类型可分为以下三种：

1)Y型桥墩构造限位装置，如图8所示；

2)双桥墩构造限位装置，如图9所示；

3)独柱墩构造限位装置，如图10所示。

(2)弹性限位装置

弹性限位装置可以分为橡胶限位和弹簧限位。对于橡胶限位装置是在梁体和抗震挡块之间设置橡胶板或者橡胶支座；弹簧限位装置是采用弹簧与梁体的连接，当梁体发生变形时，弹簧也随之变形，弹簧的约束滑移量使得主梁受到限制从而达到径向限位的效果。

弹性限位装置如图11所示。

本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。

以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积径向位移破坏的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取曲线桥主梁在每次汽车荷载作用下产生的径向位移值，记为B；

获取曲线桥主梁在每次汽车荷载作用消失时的径向位移恢复值，记为b；

获取曲线桥主梁的汽车荷载作用次数，记为n；

计算曲线桥主梁的累积径向位移，y_n＝2000(1.0005ⁿ-1)(1.264-b)；

所述y_n为所述曲线桥主梁在汽车荷载作用n次后产生的累积径向位移，所述b<所述B；

根据所述y_n数值在所述曲线桥主梁的桥墩处设置限位装置。

2.如权利要求1所述的一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积径向位移破坏的方法，其特征在于，所述曲线桥的曲率半径为200m，预偏心为0m，曲线桥支座为盆式橡胶支座，所述B为1.264mm。

3.如权利要求1所述的一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积径向位移破坏的方法，其特征在于，所述限位装置包括刚性限位装置和弹性限位装置；所述刚性限位装置适用于下部结构抗推刚度较小的曲线梁桥；所述弹性限位装置适用于边墩较低或者下部结构抗推刚度较大的曲线梁桥。

4.如权利要求3所述的一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积径向位移破坏的方法，其特征在于，所述刚性限位装置根据不同桥墩类型分为Y型桥墩构造限位装置、双桥墩构造限位装置及独柱墩构造限位装置。

5.如权利要求3所述的一种计算汽车荷载作用下曲线桥主梁累积径向位移破坏的方法，其特征在于，所述弹性限位装置分为橡胶限位装置和弹簧限位装置；所述橡胶限位装置是在梁体和抗震挡块之间设置橡胶板或者橡胶支座；所述弹簧限位装置是采用弹簧与梁体的连接，当梁体发生变形时，弹簧也随之变形，弹簧的约束滑移量使得主梁受到限制从而达到径向限位的效果。

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