自重作用下曲線連續(xù)剛構(gòu)橋扭轉(zhuǎn)效應(yīng)初探

王超,肖榮

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400020)

0 引言

為了滿足路線線路需求或功能要求，曲線梁橋的修建越來越多[1]。但是由于曲線梁橋存在彎扭耦合作用，使其較之直線橋梁的受力和變形更加復(fù)雜，使得設(shè)計(jì)施工以及后期的檢測(cè)養(yǎng)護(hù)存在較大難度。本文以泥溪溝2號(hào)大橋?yàn)槔瑢?duì)其扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行研究，總結(jié)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的扭轉(zhuǎn)變形規(guī)律，以期為同類型的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)控提供參考。

1 工程概況

泥溪溝2號(hào)連續(xù)剛構(gòu)大橋其孔跨布置為左線 （6×30+75.25＋140＋75.25＋2×30）m、 右線 （6×30+75.25＋140＋75.25＋3×30）m；主橋采用混凝土變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)箱梁，在橋跨方向上箱梁的跨中和根部梁高分別為3m、8.8m；頂板厚度（等厚度）為30cm，底板厚度從根部的100cm漸變到跨中的30cm，腹板厚度從根部至跨中分50cm、60cm、70cm三種厚度；箱梁頂板寬度為12.25m，其中翼緣懸臂長(zhǎng)2.65m，底板寬度為6.95m；懸澆T構(gòu)在縱向上被對(duì)稱劃分成16個(gè)節(jié)段；梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)從根部至跨中分別為8×3.5m、8×4.45m，邊跨和中跨合攏長(zhǎng)度均為1.8m。[2]該大橋平面位于曲線半徑2000m的曲線上，其立面圖和平面圖如圖1所示。

圖1 大橋設(shè)計(jì)圖

2 分析模型的建立

在保證截面及跨徑布置不變的前提下，分別建立了曲線半徑為200m、400m、800m、2500m的直線橋的有限元仿真模型，用以分析隨著曲率半徑的變化，對(duì)剛構(gòu)橋扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。論文中所涉及的模型上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)共被劃分成136個(gè)單元，其中88個(gè)單元為上部結(jié)構(gòu)單元，48個(gè)單元為下部單元。當(dāng)曲線半徑一定時(shí)（以200m曲線半徑為例），本文分析了墩高分別為60m、80m、120m三種情況時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。采用Midas civil軟件計(jì)算時(shí)，橋梁所涉及的材料參數(shù)均按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD62-2004[3]采用，材料的本構(gòu)關(guān)系選取如圖2所示。

圖2 鋼筋及混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

（1）混凝土本構(gòu)關(guān)系如下表達(dá)：

（2）鋼筋本構(gòu)關(guān)系如下表達(dá)：

當(dāng)εs>εy時(shí)，σs=Rg

式中:εc、εs、σc、σs為混凝土和鋼筋的應(yīng)變、 應(yīng)力， Es、Eg為混凝土和鋼筋的彈性模量，Ra為混凝土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度,相當(dāng)于σmax，ε0為相應(yīng)于Ra時(shí)的混凝土壓應(yīng)變，εcu為混凝土的極限壓應(yīng)變。

3 連續(xù)剛構(gòu)在自重作用下的計(jì)算結(jié)果及分析

無論在施工過程中還是成橋狀態(tài)，自重較之二期恒載和可變荷載對(duì)施工監(jiān)控中的線形控制起到?jīng)Q定性的作用，故該文著重研究自重對(duì)該橋型扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。借助對(duì)這一主要因素的研究，找出扭轉(zhuǎn)變形的控制截面以及曲線半徑與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系。為了方便敘述將模型中的各參數(shù)的含義表述如下。

文中扭轉(zhuǎn)角的含義為頂板翼緣板的內(nèi)外兩側(cè)豎向位移的差值與梁寬的比值如圖3所示，即:tgθ=Δh/B；正負(fù)號(hào)代表的意義為：向曲線內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)為正，向曲線外側(cè)轉(zhuǎn)為負(fù)[4]。

圖3 扭轉(zhuǎn)角示意圖

1節(jié)點(diǎn)和89節(jié)點(diǎn)分別是橋梁主梁端點(diǎn)，24節(jié)點(diǎn)和66節(jié)點(diǎn)分別是左右兩個(gè)橋墩的中心。

在自重作用下，曲線橋受彎扭效應(yīng)影響，主梁不但產(chǎn)生豎向彎曲，而且在扭矩作用下產(chǎn)生主梁截面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)變形。圖4、圖5分別顯示了相同墩高、不同曲率及曲率相同、墩高不同時(shí)連續(xù)剛構(gòu)橋的扭轉(zhuǎn)角沿橋縱向的變化。

圖4 曲線半徑與扭轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

圖5 橋墩高度與扭轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

3.1 中跨變形結(jié)果分析

墩高一定時(shí)，沿橋跨方向上扭轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。表現(xiàn)在梁體在扭矩作用下向曲線外側(cè)扭轉(zhuǎn)，同時(shí)中跨跨中附近主梁外邊緣豎向位移要大于內(nèi)邊緣豎向位移，并且最大的扭轉(zhuǎn)角發(fā)生在中跨跨中截面。曲線半徑為200m的剛構(gòu)橋與直線橋相比轉(zhuǎn)角為0.02o，內(nèi)外側(cè)的高差為4.3mm，各曲線半徑橋梁中跨跨中截面的變形計(jì)算結(jié)果見表1。在施工監(jiān)控線形控制時(shí)，應(yīng)特別注意這一影響。

表1 中跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角和內(nèi)外高差

3.2 邊跨變形結(jié)果分析

墩高一定時(shí)，從距中跨跨中2/7L2到距邊跨端部1/8 L1截面處產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)的扭轉(zhuǎn)。其中正扭轉(zhuǎn)角在邊跨跨中附近達(dá)到最大值。各曲線半徑橋梁邊跨跨中截面的變形計(jì)算結(jié)果見表2。值得提出，橋面越寬這一差值也越大，故當(dāng)橋梁的寬度較大時(shí)應(yīng)特別注意該截面扭轉(zhuǎn)所造成的內(nèi)外高差的影響。當(dāng)曲線半徑≥800m時(shí)，自重引起的邊跨跨中截面的內(nèi)外高差≤3mm，并且變化速度很慢，因?yàn)樽灾剡@一控制因素對(duì)扭轉(zhuǎn)角影響甚微，而預(yù)應(yīng)力在該截面處產(chǎn)生相反的扭轉(zhuǎn)角[4]，與自重扭轉(zhuǎn)角部分抵消?？梢詳喽ó?dāng)曲線半徑大于800m時(shí)，可按直線橋進(jìn)行施工控制；當(dāng)曲線半徑<800m時(shí)，應(yīng)考慮曲率對(duì)橋面線形的影響，而且該種橋型的扭轉(zhuǎn)角控制截面為中跨跨中截面和邊跨跨中截面。

表2 邊跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角和內(nèi)外高差

3.3 墩高變化對(duì)變形結(jié)果影響分析

曲線半徑不變，隨著墩高的增加主梁中跨跨中的豎向位移逐漸增加。與此同時(shí)，該截面的扭轉(zhuǎn)角增大即內(nèi)外緣高差也增大。計(jì)算結(jié)果顯示曲率半徑為200m時(shí)，墩高分別為60m、100m、150m的連續(xù)剛構(gòu)橋，中跨跨中截面內(nèi)外側(cè)的高差為2.1mm，詳見表3計(jì)算結(jié)果，與直線橋相比較可以忽略不計(jì)。

表3 曲線半徑200m中跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角內(nèi)外高差

4 結(jié)論

研究證明，該種橋型中跨跨中及邊跨跨中截面的扭轉(zhuǎn)角較大，故在泥溪溝2號(hào)大橋的線形控制中，將該兩個(gè)截面作為了控制截面，著重對(duì)該截面的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。大橋合攏后，實(shí)際測(cè)量證明，由于對(duì)控制截面的有效控制，橋面線形良好。

經(jīng)分析，當(dāng)曲線半徑≥800m時(shí)，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在自重和預(yù)應(yīng)力的相互作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)甚微，由于泥溪溝2號(hào)大橋的曲線半徑超過800m，故在其施工監(jiān)控中按直線橋進(jìn)行了變形計(jì)算，依次作為監(jiān)控的基礎(chǔ)。

墩高的變化對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響不是很顯著。當(dāng)曲線半徑一定、墩高在0~150m變化時(shí)，各個(gè)截面扭轉(zhuǎn)角基本一致，可以不考慮墩高變化對(duì)扭轉(zhuǎn)的影響。

[1]李莉，舒贛平.小曲率半徑曲線鋼箱梁橋設(shè)計(jì)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41（增刊1）：244.

[2]孫廣華.曲線梁橋計(jì)算[M].北京：人民交通出版社，1994:64.

[3]JTGD62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004：10-13.

[4]王超.曲線連續(xù)剛構(gòu)橋空間受力分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2011:11-64.