高墩大跨PC曲線連續(xù)剛構(gòu)橋受力和變形研究＊

呂海燕，馬鋒，王朋

(1．長(zhǎng)沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南長(zhǎng)沙410075;2．武漢理工大學(xué)，湖北武漢430063;3．中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院武漢分院，湖北武漢430056)

高墩大跨PC曲線連續(xù)剛構(gòu)橋受力和變形研究＊

呂海燕1，馬鋒2，王朋3

(1．長(zhǎng)沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南長(zhǎng)沙410075;2．武漢理工大學(xué)，湖北武漢430063;3．中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院武漢分院，湖北武漢430056)

高墩大跨PC曲線連續(xù)剛構(gòu)橋施工難度較大，施工過(guò)程中受力和變形比同類(lèi)直線橋復(fù)雜。本文應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS/Civif對(duì)某大橋施工過(guò)程進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上改變平彎半徑對(duì)不同半徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)比分析了墩高、圓心角、結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、溫度效應(yīng)、混凝土收縮徐變等因素對(duì)高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的內(nèi)力和變形的影響。

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋;高墩;大跨;內(nèi)力和變形

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，高墩大跨PC曲線連續(xù)剛構(gòu)橋越來(lái)越多，具有高墩身、大跨度、平面彎曲、墩梁固結(jié)等特征。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的因素很多［1，2］，結(jié)構(gòu)特征主要有墩高、圓心角等參數(shù);荷載作用主要有結(jié)構(gòu)由重、預(yù)應(yīng)力、溫度作用、混凝土收縮徐變等因素。

一、各影響因素分析

(一)墩高

墩高對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的縱向位移影響較小，對(duì)豎向位移、橫向位移和扭轉(zhuǎn)的影響較大。隨著墩身高度的增加，墩身豎向壓縮變形逐漸增人，引起箱梁豎向撓度增大。橋墩偏心受壓，

箱梁自重產(chǎn)生的扭矩(相對(duì)墩而言為橫向彎矩)使墩頂產(chǎn)生較大的橫向偏移和轉(zhuǎn)角，間接加入了箱梁的橫向位移和扭轉(zhuǎn)角［3，4］。因此，墩高是影響曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)變形的一個(gè)重要因素。

(二)圓心角

對(duì)于曲線梁橋，僅采用平曲線半徑不能全面反映曲線橋的彎曲程度。當(dāng)曲線半徑相同時(shí)，跨徑越大彎曲程度越大。實(shí)際上，采用跨徑和平曲線半徑的比值，即主跨徑所對(duì)應(yīng)的圓心角才能真實(shí)的反映曲線梁的彎曲程度，即圓心角綜合反映了跨徑和曲線半徑兩個(gè)參數(shù)。圓心角越大，曲線橋的力學(xué)特性就越明顯。人多數(shù)文獻(xiàn)表明:與圓心均超過(guò)38°時(shí)，曲線橋表現(xiàn)出明顯的非線性性質(zhì)［5］。

(三)結(jié)構(gòu)自重

結(jié)構(gòu)自重是影響高墩大跨曲線剛構(gòu)橋施工中受力與變形的重要因素之一。曲線連續(xù)剛構(gòu)橋自重作用下除產(chǎn)生豎向位移外，還會(huì)在產(chǎn)生橫向變形和扭轉(zhuǎn)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)不同半徑的T構(gòu)自重作用下的累計(jì)豎向位移對(duì)曲率半徑變化不敏感，幾乎不隨半徑改變而變化，其最大值出現(xiàn)在距懸臂端約1/4懸臂長(zhǎng)度處;直線T構(gòu)不產(chǎn)生橫向位移和扭轉(zhuǎn)角，而曲線T構(gòu)累計(jì)橫向位移和扭轉(zhuǎn)角隨著曲率半徑減小而增大，半徑越小，橫向位移和扭轉(zhuǎn)角增加越快。0#塊及其附近區(qū)段橫向位移最大，依次向懸臂端減小。扭轉(zhuǎn)角在懸臂中部附近最大，向懸臂端逐漸減小。

(四)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)

預(yù)應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中施加的一種抗力，對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形產(chǎn)生很大影響。相對(duì)于直線橋而言，曲線橋結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力作用效果更加復(fù)雜。

不論曲率半徑為多少，在預(yù)應(yīng)力作用下，大約在距最大懸臂端1/5懸臂長(zhǎng)度處，累計(jì)豎向位移最大。

預(yù)應(yīng)力作用下，曲線箱梁橫向位移隨曲率半徑的減小而增大。墩頂處橫向位移為零，懸臂中部橫向變形最大，最大懸臂端橫向變形較小。墩頂處扭轉(zhuǎn)角位移為零，懸臂中部扭轉(zhuǎn)角位移最大，最大懸臂端扭轉(zhuǎn)角位移較小，預(yù)應(yīng)力對(duì)箱梁扭轉(zhuǎn)角位移的影響也非常小?？偟膩?lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力對(duì)箱梁的橫向位移和扭轉(zhuǎn)角位移影響非常小。

(五)溫度效應(yīng)

曲線箱梁受力狀態(tài)和線形變化非常復(fù)雜，影響因素眾多，其中溫度就是重要影響因素之一。大跨PC連續(xù)箱梁橋的應(yīng)力和線形對(duì)溫度都很敏感。溫度作用對(duì)橋架結(jié)構(gòu)的影響可歸結(jié)為日照(晝夜)溫差、驟然降溫及年溫度變化三個(gè)方面。研究表明，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)活載的應(yīng)力效應(yīng)［6］，是預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板發(fā)生開(kāi)裂的主要原因之一。

溫度作用會(huì)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)懸臂箱梁的變形產(chǎn)生很久影響。曲線連續(xù)箱梁在溫度荷載作下，會(huì)產(chǎn)生豎向撓曲、平面內(nèi)彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。曲線箱梁整體升(降)溫作用主要產(chǎn)生彎曲平面內(nèi)的變形，曲線箱梁橋面升(降)溫主要產(chǎn)生豎向變形及扭轉(zhuǎn)。隨著懸臂長(zhǎng)度的增加，溫度對(duì)箱梁懸臂端撓度的影響增大，且這種影響非均勻變化并且具有滯后性。

日照溫差將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的變形，給懸臂施工中結(jié)構(gòu)線形的準(zhǔn)確測(cè)量和立?？刂茀?shù)的確定帶來(lái)很大的困難，因此要盡量避開(kāi)這種不利影響。

(六)混凝土收縮徐變

混凝土收縮徐變對(duì)高墩大跨PC曲線連續(xù)剛構(gòu)的豎向變形、橫向變形和扭轉(zhuǎn)變形都有影響，墩頂發(fā)生位移必然連帶上部梁體產(chǎn)生相應(yīng)位移，同此混凝土收縮徐變變形對(duì)高墩大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)的變形影響不可忽略。

收縮徐變引起的豎向位移對(duì)曲率、半徑的變化不敏感;曲線橋在收縮徐變效應(yīng)下產(chǎn)生橫向變形，其變形量隨曲率半徑的減小而增大。在懸臂施工階段，墩頂橫向變形最大，遠(yuǎn)離墩頂處梁體橫向變形逐漸減小;直線橋在混凝土收縮徐變作用下梁體不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，而曲線橋梁體會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，其變形量隨曲率半徑的減小而增大。在懸臂施工階段，在懸臂中部扭轉(zhuǎn)變形最大，墩頂扭轉(zhuǎn)變形次之，懸臂端扭轉(zhuǎn)變形最小;在收縮、徐變兩者中，收縮對(duì)曲線剛構(gòu)橫向位移和扭轉(zhuǎn)位移的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，兩者對(duì)豎向位移的貢獻(xiàn)相當(dāng)。在收縮徐變對(duì)墩梁產(chǎn)生的豎向總位移、橫向總位移中，墩的相應(yīng)位移占相當(dāng)大的比重。

由于混凝土收縮徐變的時(shí)間依存特性，箱梁內(nèi)力隨時(shí)間變化，前期快，后期慢?；炷列熳儗?duì)曲線箱梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較大，尤其是在成橋后，混凝土徐變對(duì)箱梁內(nèi)力的影響隨著時(shí)間推移而逐漸增大;混凝土收縮作用對(duì)曲線箱梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響相對(duì)較小。在實(shí)際工程中要采取有效措施，盡量減小混凝土的徐變影響。

二、各荷載對(duì)位移的綜合影響

以半徑R=1000m的某墩T構(gòu)為例，將其在最大懸臂狀態(tài)下由結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、施工荷載(掛籃)等分別產(chǎn)生的位移分量比較如圖l～圖3所示。

圖1 R=1000m某墩最大懸臂狀態(tài)各種作用、豎向位移比較圖

圖2 R=1000m某墩最大懸臂狀態(tài)各種作用下橫向位移比較

圖3 R=1000m某墩最大懸臂狀態(tài)各種作用下扭轉(zhuǎn)角比較

從圖1～圖3分析可知，在T構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力引起的豎向位移相對(duì)較大，兩者對(duì)豎向位移的效應(yīng)剛好相反，最大值都出現(xiàn)在距懸臂端部約1/3懸臂長(zhǎng)度處，收縮徐變和掛籃荷載引起的豎向位移相對(duì)較小。橫向位移大部分由梁體自重引起，0#塊及其鄰近區(qū)段的橫向位移值最大，大約從第5節(jié)段開(kāi)始向懸臂端逐漸減小，這主要是由于高墩的橫向偏位帶動(dòng)了懸臂梁體的側(cè)移，而懸臂曲梁的扭轉(zhuǎn)又使其橫向位移沿懸臂逐漸減小;對(duì)橫向位移的影響僅次于自重的是混凝土收縮徐變作用和掛籃荷載;預(yù)應(yīng)力引起的橫向位移最小且兩支懸臂橫向位移方向相反。對(duì)扭轉(zhuǎn)角位移影響較大的也是梁體自重和預(yù)應(yīng)力，但兩者引起的兩支懸臂扭轉(zhuǎn)角位移值不對(duì)稱(chēng)，這與曲梁軸線在計(jì)算模型總體坐標(biāo)系中不對(duì)稱(chēng)有關(guān)。

同時(shí)對(duì)相同連續(xù)剛構(gòu)橋梁在實(shí)際半徑(R=2057．94m)下分析，計(jì)算結(jié)果表明:在各種荷載作用下，至最大懸臂階段，曲線箱梁發(fā)生的最大橫向位移值不足1mm，同一T構(gòu)兩支懸臂變形方向相反;至成橋狀態(tài)，最大橫向變形發(fā)生在跨中，其值也不足3mm，說(shuō)明箱梁自身橫向變形非常小，可以忽略不計(jì)。在最大懸臂狀態(tài)，同一T構(gòu)曲線箱梁發(fā)生的最大扭轉(zhuǎn)角量值(發(fā)生在距懸臂端約2/5懸臂長(zhǎng)度處)僅為高墩聯(lián)合作用下最大扭轉(zhuǎn)角量值的14%～35%;箱梁變形最大扭轉(zhuǎn)角引起的內(nèi)外側(cè)高差僅1mm，說(shuō)明曲線箱梁自身扭轉(zhuǎn)變形很小?？偟膩?lái)說(shuō)，箱梁的橫向位移和扭轉(zhuǎn)主要是由墩頂?shù)膫?cè)偏引起的。

三、結(jié)論

(1)在曲線連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面，扭矩受曲率半徑變化的影響最大，其值隨曲率半徑的減小而增大;其次是彎矩，其值略有變化，影響最小的是剪力，幾乎不發(fā)生變化。受曲率影響，箱梁根部截面正應(yīng)力分布內(nèi)外側(cè)不對(duì)稱(chēng)，內(nèi)側(cè)略大于外側(cè)，這種差別隨曲率半徑減小而增大;箱梁扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力在根部截面最大，并隨曲率減小而增大。

(2)在高墩曲線剛構(gòu)橋施－工階段的結(jié)構(gòu)變形方面，墩高是一個(gè)重要因素。高墩對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的豎向位移、橫向位移和扭轉(zhuǎn)的影響都較大，箱梁的橫向位移和扭轉(zhuǎn)很大程度上是由高墩的側(cè)偏引起的。在施工控制結(jié)構(gòu)計(jì)算中不能單純根據(jù)曲率半徑判定直彎計(jì)算界限，應(yīng)該充分考慮高墩對(duì)變形的放大作用。

(3)曲率半徑是影響高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)變形的另一重要因素，直線連續(xù)剛構(gòu)橋不產(chǎn)生橫向位移和扭轉(zhuǎn)角，高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)會(huì)產(chǎn)生橫向位移和扭轉(zhuǎn)角，且受曲率半徑的影響很大，橫向位移和扭轉(zhuǎn)都隨曲率半徑的減小而增大。其中高墩的影響明顯，除了有與直線橋相同的縱向變位、豎向壓縮變位外，還會(huì)因曲線箱梁扭矩使墩頂產(chǎn)生橫向變位。

(4)曲線連續(xù)剛構(gòu)在結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、溫度作用、混凝土收縮徐變作下會(huì)產(chǎn)生橫向變形和扭轉(zhuǎn)，且受曲率半徑影響很大，變形量隨曲率半徑的減小而增大。

(5)對(duì)某一半徑的曲線連續(xù)剛構(gòu)，結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力是影響豎向位移和扭轉(zhuǎn)的主要因素，結(jié)構(gòu)自重和混凝土收縮徐變是影響橫向變形的主要閑素。

［1］滕軍，那琪，郭時(shí)安，等．高墩連續(xù)曲線梁橋以直代曲判別條件的確定［J］．工程抗震與加固改造，2009，31(2):17－20．

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2011－10－21

呂海燕(1964－)，男，湖南新寧人，工程師。