簡支變雙支座連續(xù)箱梁體系轉(zhuǎn)換受力特性分析

高香龍，許 冰

(1.陜西省交通建設集團公司;2.西安公路研究院)

1 理論模型

實橋橋?qū)?1.5m，跨徑25m;上下行分幅，單幅橋面凈寬10.75m橫橋向布設4片預制箱梁，箱梁截面尺寸如圖1。箱梁底、腹板共配6束4φs15.24、2束3φs15.24的預應力鋼絞線，箱梁頂板負彎矩區(qū)配3束4φs15.24、2束5φs15.24的預應力鋼絞線。預應力鋼筋采用高強度低松馳鋼絞線，并符合《預應力混凝土用鋼絞線國家標準》(GB/T 5224-2003)。

圖1 箱梁截面 單位:mm

采用杠桿法和剛接梁法進行橫向分布系數(shù)的計算，得出四片主梁橫向受力最不利時的橫向分布系數(shù)，分別為0.663、0.553、0.547和0.645，因此選取實橋受力最為不利的橫向邊梁為研究對象;應用有限元分析軟件MIDAS Civil 2010，建立單梁模型，對橋梁體系轉(zhuǎn)換過程進行模擬分析和計算，計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

實橋的板式橡膠支座，在有限元模型中采用節(jié)點彈性支撐模擬。根據(jù)板式橡膠支座的支承剛度對主梁節(jié)點位移進行約束，滑動支座順橋向、橫橋向彈性支承剛度為4 091kN/m、豎向支承剛度取2.6×106kN/m，固定支座順橋向彈性支承剛度取109kN/m。模型材料特性如表1所示。

表1 材料特性

先簡支后連續(xù)箱形雙支座連續(xù)梁橋結(jié)構體系轉(zhuǎn)換分為三個階段:(1)簡支階段:預制主梁，混凝土達到設計強度的100％后，張拉正彎矩區(qū)預應力鋼束。安裝好永久支座，逐孔吊裝主梁并安置于支座上，主梁處于簡支狀態(tài)。本階段荷載包括主梁結(jié)構的自重以及預應力荷載，模型中按照實際情況計入。(2)體系轉(zhuǎn)換階段:墩頂兩排支座中心線相距60cm，及時連接橋面板鋼筋及端橫梁鋼筋，并澆筑墩頂濕接縫處混凝土，待混凝土強度達到設計強度的100％后，張拉負彎矩預應力鋼束，并壓注水泥漿，進行結(jié)構體系的轉(zhuǎn)換。(3)成橋階段:進行防水層、橋面鋪裝和護欄施工，模型中按均布荷載考慮，取值13.05kN/m。

2 體系轉(zhuǎn)換過程受力性能分析

簡支變連續(xù)的體系轉(zhuǎn)換過程中，預應力箱梁承受對稱荷載作用，因此結(jié)構變形關于中跨跨中截面對稱分布，體系轉(zhuǎn)換過程中的線形變化如圖3所示。由圖3結(jié)果顯示，主梁簡支狀態(tài)，由于體內(nèi)預應力筋的作用主梁發(fā)生向上的撓曲變形;體系轉(zhuǎn)換階段因墩頂負彎矩區(qū)預應力筋的張拉，各跨主梁梁體繼續(xù)上撓且變形值接近;成橋階段由于二期荷載的作用，相對體系轉(zhuǎn)換階段主梁產(chǎn)生向下的位移，且邊跨下?lián)衔灰戚^中跨、次邊跨位移大。五跨預應力箱梁簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的過程中，始終以邊跨的上撓變形最大。

圖3 簡支變連續(xù)結(jié)構體系轉(zhuǎn)換過程主梁位移

由于預應力鋼絞線的作用，五跨簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁在體系轉(zhuǎn)換過程中始終處于受壓狀態(tài)，梁體承受軸向壓力和負彎矩。

如圖4結(jié)果顯示，簡支階段各跨主梁軸力分布一致;體系轉(zhuǎn)換階段因墩頂負彎矩區(qū)預應力筋的張拉，墩頂主梁節(jié)段軸力增加;成橋階段因無順橋向荷載作用，體系轉(zhuǎn)換之后主梁軸力幾乎沒有變化，成橋后最大軸力出現(xiàn)在墩頂主梁節(jié)段。由圖5結(jié)果顯示，簡支階段各跨主梁彎矩分布一致;體系轉(zhuǎn)換階段因墩頂負彎矩區(qū)預應力筋張拉，雙支座間主梁出現(xiàn)正彎矩，跨中負彎矩增大;成橋階段，在二期荷載作用下主梁上撓位移減小，主梁負彎矩值較體系轉(zhuǎn)換階段減小，而支座截面負彎矩值較體系轉(zhuǎn)換階段增大;成橋后主梁最大彎矩值出現(xiàn)在邊跨主梁節(jié)段。

圖4 簡支變連續(xù)結(jié)構體系轉(zhuǎn)換過程主梁軸力

圖5 簡支變連續(xù)結(jié)構體系轉(zhuǎn)換過程主梁彎矩

由圖6和圖7結(jié)果顯示，體系轉(zhuǎn)換過程全橋主梁截面處于受壓狀態(tài)，且截面上下緣應力均小于混凝土抗壓強度標準值34.5MPa。簡支階段各跨箱梁上、下緣應力分布相同;體系轉(zhuǎn)換階段隨著主梁向上撓曲變形的增大，相比簡支階段主梁跨中上緣壓應力減少，下緣壓應力增加;成橋階段，在二期荷載作用下，跨中主梁上緣壓應力較體系轉(zhuǎn)換階段增大，下緣壓應力較體系轉(zhuǎn)換階段減小，墩頂主梁節(jié)段上緣壓應力較體系轉(zhuǎn)換階段減小，下緣壓應力較體系轉(zhuǎn)換階段增大。

圖6 簡支變連續(xù)結(jié)構體系轉(zhuǎn)換過程主梁上緣應力

圖7 簡支變連續(xù)結(jié)構體系轉(zhuǎn)換過程主梁下緣應力

表2 簡支變連續(xù)結(jié)構體系轉(zhuǎn)換過程主梁支座反力(單位:kN)

由表2結(jié)果可以看出，在簡支階段，因各主梁材料、截面和跨度相等，各支座反力大小相近;體系轉(zhuǎn)換后，由于中墩支座剛度的增大，邊墩墩頂支反力減少19kN，其余墩頂支座反力增大，其中次邊墩支反力增加最多達38kN;同時，相同墩頂支反力出現(xiàn)差值，其中次邊墩支反力差值最大12kN，中墩差值較小3kN;成橋階段，在二期荷載的作用下，各墩頂支反力繼續(xù)增大，由于次邊墩兩側(cè)主梁剛度的不同，墩頂支反力差異進一步增加，最大差值為238kN，中墩支反力差值僅46kN。

3 結(jié)論

(1)簡支箱梁轉(zhuǎn)變?yōu)殡p支座連續(xù)梁橋體系轉(zhuǎn)換過程簡支階段、體系轉(zhuǎn)換階段和成橋階段三個階段中，以體系轉(zhuǎn)換階段主梁受力最為不利，此階段主梁的位移、應力和內(nèi)力均為三階段最大值。

(2)簡支箱梁轉(zhuǎn)變?yōu)殡p支座連續(xù)梁橋的施工過程中，由于預應力的作用主梁均處于受壓狀態(tài)，并且截面上下緣應力均小于混凝土抗壓強度標準值，結(jié)構受力安全。

(3)簡支箱梁轉(zhuǎn)變?yōu)殡p支座連續(xù)梁橋的施工過程中，隨著墩頂主梁的連接，墩頂雙支座支反力出現(xiàn)差值，其中以次邊墩墩頂支反力差值最大，主要由于墩兩側(cè)主梁剛度不同所致。由此可見適當?shù)恼{(diào)整次邊墩兩側(cè)箱梁剛度可以減少墩頂雙支座支反力的差異。

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