[科普中國]-斜交角

簡介

如果新建的橋梁是直線，這個交角是個固定值；如果新建橋梁是曲線，那么這個值就會隨著曲線的曲率而變化。交角為90°就是正交了，其余都是斜交。

斜交與正交差別最大在于銳角受力差別，以及構(gòu)造筋上。

以上可能有誤，是根據(jù)姚玲森主編《橋梁工程》第二版第二篇第三章第二節(jié)中關(guān)于斜交板橋斜交角的定義。

地震反應(yīng)的影響分析以標準跨徑的兩跨公路連續(xù)混凝土斜交橋為研究對象，建立動力有限元計算模型，分別進行了常遇地震影響下的反應(yīng)譜分析和罕遇地震影響下的非線性時程分析，探討了斜交角變化對連續(xù)斜交橋地震反應(yīng)的影響，并得到了影響規(guī)律。1

公路斜交橋在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用于高等級公路、城市道路和立交樞紐。與正交橋相比，斜交橋無論是結(jié)構(gòu)靜力行為還是動力行為都較為復(fù)雜，尤其是在斜交角度較大時。關(guān)于斜交橋的靜力行為，已經(jīng)取得了較多的理論研究成果；但關(guān)于斜交橋的動力行為，國內(nèi)的研究則明顯不足，關(guān)于斜交橋地震反應(yīng)特性及其抗震方面的研究更未見報道。以兩跨連續(xù)斜交梁橋為研究對象，分析了斜交橋的主要設(shè)計參數(shù)之一斜交角對公路連續(xù)斜交梁橋地震反應(yīng)的影響，并得到了一些研究結(jié)論。1

地震反應(yīng)分析分別以斜度、跨徑、寬跨比、端橫梁剛度、支座剛度作為參數(shù)，對公路斜交橋的地震反應(yīng)做了一系列的參數(shù)分析研究工作；考慮了寬跨比、扭轉(zhuǎn)頻率與平移頻率的頻率比以及剛度偏心的影響。從國外已有的研究成果看，斜交角是影響斜交橋地震反應(yīng)的主要設(shè)計參數(shù)之一，并分別進行了常遇地震影響下的反應(yīng)譜分析以及罕遇地震影響下的非線性時程分析。1

地震反映影響1)在常遇地震影響下，斜交橋墩底地震內(nèi)力的耦合效應(yīng)基本可以忽略不計。因此，在計算常遇地震影響下的地震內(nèi)力時，可以把斜交橋的支承線及其垂線這兩個正交方向作為地震動的最不利輸入方向，分別考慮水平地震作用。

2)在常遇地震影響下，當連續(xù)斜交橋的斜交角小于40°時，墩底地震內(nèi)力按相應(yīng)的正交橋計算，其誤差不超過10%；在斜交角大于40°時，可對墩底地震內(nèi)力做適當折減。1

3)即使在單一方向的水平地震影響下，連續(xù)斜交橋也會發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)變形。因此，必須考慮結(jié)構(gòu)變形的耦合效應(yīng)。1

4)在罕遇地震作用下，連續(xù)斜交橋在各個方向的墩頂水平位移基本上都比相應(yīng)的正交橋大，在斜交角大于10°時，墩頂總的水平位移比相應(yīng)的正交橋增大了約16%。

5)由于斜交橋的特性，支座沿支承線垂線方向的變形隨斜交角的增大而減?。辉谛苯唤菫?0°時，斜交橋與相應(yīng)的正交橋相比，支座變形值約可減小50%。1

斜交彎梁橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的計算分析采用結(jié)構(gòu)有限元計算方法，運用參數(shù)變異法，計算在恒載和預(yù)應(yīng)力作用下不同斜交角，即 15°，30°，45°和 60°，對斜交彎梁橋結(jié)構(gòu)的邊跨支撐、墩頂及跨中等關(guān)鍵位置產(chǎn)生的內(nèi)力影響，對比隨斜交角的變化，分析引起關(guān)鍵位置內(nèi)力變化的規(guī)律及成因，驗證了連續(xù)斜交彎梁橋空間力學(xué)分析采用板單元有限元素法的合理性。2

為了滿足復(fù)雜條件下道路橋梁布線要求，斜彎橋采用的越來越多。而斜彎橋設(shè)計與施工對工程部門提出了許多新的難題。設(shè)計部門運用通用結(jié)構(gòu)程序來分析斜彎橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力時，通用程序并不能有效地解決邊界條件問題，結(jié)構(gòu)動力分析也較難以實現(xiàn)。故對斜彎橋諸多問題如設(shè)計理論與方法、結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為、構(gòu)造特點、施工技術(shù)等問題的解決就顯得非常必要。2

恒載和預(yù)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算與分析對該類橋的內(nèi)力做趨勢分析，故該斜交彎梁橋的恒載僅包含了主梁自重； 預(yù)應(yīng)力筋僅考慮了主要預(yù)應(yīng)力的作用情況。通過 ANSYS 計算，結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力引起的主拉應(yīng)力，最大主拉、壓應(yīng)力隨斜交角的變化，經(jīng)計算得到斜交角從 15°變化到 60°，最大主拉應(yīng)力增幅 16.01%； 最大主壓應(yīng)力增幅 10.47%。2

支撐反力在邊跨支撐處，內(nèi)側(cè)反力隨斜交角度的增大而增大，而外側(cè)反力則隨之減小，這主要由于隨著斜交角的增大，內(nèi)力峰值向鈍角方向靠攏，故斜交處內(nèi)側(cè)反力變大而外側(cè)反力減小。斜交角對斜彎橋的影響是顯著的，隨斜交角的增加斜彎橋的受力增大。當斜交角度從 15°增加到 60°時，邊跨支撐處內(nèi)側(cè)反力增加 118.6%。內(nèi)外側(cè)支撐反力的差值也更是增加了 240.5%。2

橋墩支撐處支反力都隨斜交角度的增大而增大。并且支撐處外側(cè)支反力明顯大于內(nèi)側(cè)，驗證了彎橋的支點反力有曲線外側(cè)變大、內(nèi)側(cè)變小的傾向，即產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)，通常會使外梁超載，內(nèi)梁卸載，內(nèi)外梁產(chǎn)生應(yīng)力差別，使梁體有向外側(cè)翻的趨勢。這不僅與彎橋的曲線半徑大小有關(guān)，還與斜交段的斜交角度有關(guān)。在邊跨支撐處和 P2墩頂左側(cè)位置，隨著斜交角度的增大，內(nèi)外側(cè)支反力的差值逐漸增大； 而在 P2墩頂右側(cè)位置，由于支撐反力方向相反，隨著斜交角度的增大，內(nèi)外側(cè)支反力的差值逐漸減小。2

計算結(jié)果與斜橋的力學(xué)特性的驗證通過對該斜交彎梁橋的計算分析，得出支撐反力在邊跨支撐處，內(nèi)側(cè)反力隨斜交角度的增大而增大，而外側(cè)反力則隨之減小，其他支撐反力都隨斜交角度的增大而增大。為驗證斜交彎梁橋關(guān)于斜交角力學(xué)特性的計算結(jié)果與理論是否一致，理論上對斜梁橋進行計算，判斷其計算的合理性。2

反力的這一特性在板橋及多梁式橋中均是如此，具體表現(xiàn)多個支座時，各支座的反力分布不均，鈍角區(qū)域的反力比銳角區(qū)域的反力大。2

結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形分析方法1) 驗證分析了斜交橋隨著斜交角的增大，內(nèi)力峰值向鈍角方向靠攏，故斜交處內(nèi)側(cè)反力變大而外側(cè)反力減小。2

( 2) 通過計算結(jié)果與理論分析比較，驗證了板單元理論的有效性和準確性，同時也說明了空間板單元有限元分析方法把異型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模擬成一個縱、橫交叉的空間體系，體系力學(xué)模型符合結(jié)構(gòu)的實際受力情況，可以直接得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，是一種簡便實用的分析方法。2

斜交角對連續(xù)小箱梁橋橫向分布系數(shù)影響經(jīng)濟高速的發(fā)展對道路等級和城市道路網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)提出了更高的要求，此時涌現(xiàn)出大量的斜橋，而正橋是斜交角為0°的特例。影響斜橋橫向分布系數(shù)的因素很多，利用 Midas civil 建立有限元模型，主要分析斜交角對橫向分布的影響，橫向分布系數(shù)會隨著斜交角度的增大而減小，并通過實橋荷載試驗進行驗證。3

采用有限軟軟件 Midas，對斜交連續(xù)小箱梁橋在斜交角、梁片數(shù)、橋跨長和每聯(lián)孔數(shù)不同因素下，分別建立模型，分析荷載橫向分布的規(guī)律。3

有限元模型采用虛擬橫梁法進行建立模型，采用網(wǎng)格法進行劃分單元，根據(jù)裝配式小箱梁橋的施工特點，縱向梁格分截面分為箱梁截面、翼緣濕接縫截面和邊箱梁上翼緣外側(cè)懸挑板截面，并設(shè)置虛擬橫梁。3

斜交角影響分析為了進一步了解連續(xù)小箱梁橋的荷載橫向分布規(guī)律，利用已建立的連續(xù)小箱梁橋有限元模型，研究斜交角度變化對荷載橫向分布系數(shù)的影響。

斜交角數(shù)據(jù)分析。在建設(shè)橋梁時，橋梁的選址最優(yōu)的是與橋梁兩頭道路線形一致，并最大可能得與被跨越的障礙物正交，達到橋梁的跨徑最小，以使橋梁的跨經(jīng)最小，但是為了使橋梁與相接道路、周邊環(huán)境相和諧，斜橋和彎橋在高等級公路和城市立交橋的建設(shè)中突現(xiàn)出來。3

從跨徑為 20、25、30、35、40m 的橫向分布系數(shù)，隨著角度增大而變??； 從縱向看，隨著跨徑的增大，斜交角度相同情況下，橫向分布系數(shù)亦減小。同等跨徑、同等角度下邊梁橫向分布系數(shù)要比中梁大。3

荷載分析( 1) 隨著斜交角度變大，中梁和邊梁的跨中橫向分布系數(shù)均變小，表明了斜橋跨中彎矩隨斜交角增大而減小，并且從模型中可知邊跨比中跨的橫向分布系數(shù)大。3

( 2) 邊梁的橫向分布系數(shù)比中梁大，邊梁所承受的內(nèi)力較大，所以橋梁設(shè)計時，先以邊梁為對象，之后在進行優(yōu)化設(shè)計。

( 3) 對斜交角為0°和30°的兩座連續(xù)小箱梁橋進行荷載試驗分析可知，兩座橋梁的橫向分布系數(shù)滿足隨斜交角增大而減小的規(guī)律。3