曲率半徑變化對高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋靜力性能的影響研究

陳龍明

摘要：隨著我國高速公路的大規(guī)模建設(shè)，在中西部山區(qū)建造了多座高墩大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。受橋址處的地形、地貌的影響，或道路線形走向的限制，很多高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)置在曲線上。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋目前主要采用懸臂澆筑法施工，連續(xù)剛構(gòu)橋施工時(shí)，橋梁不僅要經(jīng)歷T型剛構(gòu)階段形成主梁的過程，還要經(jīng)歷體系轉(zhuǎn)換的過程，橋梁經(jīng)歷了復(fù)雜的受力過程。本文主要對曲率半徑變化對高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋靜力性能的影響進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：曲線連續(xù)剛構(gòu)橋;靜力力學(xué)性能;曲率半徑

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

近年來隨著我國高速公路的發(fā)展，尤其是山區(qū)高速公路的大規(guī)模建設(shè)開發(fā)，曲線橋由于其能夠很好的克服地形、地貌的影響，或受道路線形走向限制，并能體現(xiàn)出建設(shè)投資經(jīng)濟(jì)、力學(xué)上、美學(xué)上的完美結(jié)合而得到廣泛應(yīng)用。這些曲線橋梁跨度大，有時(shí)要跨越深谷，客觀上需要采用高墩、變高度箱梁等結(jié)構(gòu)形式，并且橋?qū)捯脖纫话愕脑训罉驅(qū)?，受空間地理?xiàng)l件的影響，也必須采用懸臂澆筑或拼裝等施工方式。

一、工程概況

本文以某高速公路在建的一座大跨徑曲線雙薄壁高墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉ο?。該橋主?70m，跨徑組成(95+170+95)m。全橋上下行分離，采用兩幅橋梁，每幅主梁采用單箱單室變高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁頂寬12.2m，底寬6.5m;箱梁根部梁高10.5m，跨中梁高3.6m，箱梁高度按1.8次拋物線變化;上部結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主墩為矩形截面空心薄壁墩，墩高分別為62m和68m。該橋采用懸臂澆筑法施工，先進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)施工，施工完成0號塊節(jié)段后再對稱向兩側(cè)懸臂施工，形成單“T”型剛構(gòu)，先合攏邊跨，再合攏中跨，完成橋梁上部結(jié)構(gòu)施工。主梁施工時(shí)最大懸臂長度84m，其中0號塊節(jié)段長16m，每個(gè)懸澆“T”型剛構(gòu)縱向?qū)ΨQ劃分為21個(gè)節(jié)段，節(jié)段懸澆總長76m，邊、中跨合攏段長均為2m，邊跨現(xiàn)澆段長8.94m，在橋臺旁搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工。

二、有限元建模

采用MIDAS/Civil有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，主梁采用變截面空間梁單元模擬，主墩采用一般空間梁單元模擬，預(yù)應(yīng)力束采用施加預(yù)應(yīng)力荷載模擬;施工過程中節(jié)段濕重、掛籃重量采用節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)彎矩模擬;計(jì)算模型中按照規(guī)范規(guī)定考慮混凝土收縮、徐變效應(yīng)和混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間增長效應(yīng)。計(jì)算模型的邊界條件為連續(xù)剛構(gòu)橋的墩底采用固結(jié)模擬，墩梁采用彈性連接中的剛性連接實(shí)現(xiàn);對于曲線剛構(gòu)橋模型，分別定義橋臺處支座節(jié)點(diǎn)的局部坐標(biāo)軸，從而約束該節(jié)點(diǎn)的順橋向位移和橫橋向位移。采用滿堂支架施工邊跨現(xiàn)澆段時(shí)，根據(jù)連續(xù)梁的約束形式對現(xiàn)澆段進(jìn)行約束，即約束1個(gè)節(jié)點(diǎn)的豎向和縱向位移，其余節(jié)點(diǎn)僅約束豎向位移。體系轉(zhuǎn)換后，邊跨現(xiàn)澆段支座處按照設(shè)計(jì)圖紙支座情況模擬雙支座，分別約束支座處節(jié)點(diǎn)的豎向位移和橫向位移，其它節(jié)點(diǎn)約束釋放;其中支座處節(jié)點(diǎn)和主梁節(jié)點(diǎn)采用主從節(jié)點(diǎn)連接，主梁節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)。

三、曲率半徑對橋梁靜力力學(xué)性能的影響

分別建立該橋梁的直線剛構(gòu)橋計(jì)算模型和圓曲線半徑分別為1.5km，2km和2.5km的曲線剛構(gòu)橋計(jì)算模型，對比分析直線剛構(gòu)橋和曲線剛構(gòu)橋在最大懸臂階段和成橋狀態(tài)下的靜力力學(xué)性能。

1、橫向彎矩、扭矩

以圓曲線半徑為2km的曲線剛構(gòu)橋?yàn)槔?，通過計(jì)算可以得出，主梁橫向彎矩、扭矩主要由恒荷載(包括結(jié)構(gòu)自重與施工階段的臨時(shí)施工荷載)與預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用產(chǎn)生，其中，恒荷載作用最大，主梁橫向彎矩和扭矩的最大值出現(xiàn)在墩頂兩側(cè)。直線剛構(gòu)橋和不同曲率半徑的曲線剛構(gòu)橋主梁根部橫向彎矩及彎矩計(jì)算結(jié)果見表1。

曲率半徑/m 2號墩頂 3號墩頂

左側(cè)薄壁墩 增大率/% 右側(cè)薄壁墩 增大率/% 左側(cè)薄壁墩 增大率/% 右側(cè)薄壁墩 增大率/%

直橋 0 0 0 0

2500 －784．1 －800．1 －804．65 －785．32

2000 －984．4 20．347 －1007．07 25．868 －1007．07 25．156 －983．93 25．290

1500 －1312．46 24．996 －1342．68 33．325 －1342．68 33．325 －1311．83 33．326

表1最大懸臂狀態(tài)時(shí)不同曲率半徑橋梁主梁根部橫向彎矩對比

由表1可以看出:直線剛構(gòu)橋的主梁無橫向彎矩，但曲線剛構(gòu)橋隨著曲率半徑的減小主梁根部最大橫向彎矩逐漸呈增大趨勢，且增加幅度顯著，最大增幅量為33.326%。這是由于曲線剛構(gòu)橋是空間變化的結(jié)構(gòu)，故曲率半徑越小橋梁，其空間效應(yīng)越明顯，導(dǎo)致其主梁的橫向彎矩越大。對于橋墩，因直線剛構(gòu)橋在施工過程中橋墩沒有橫橋向偏位，故沒有橫向彎矩，而曲線剛構(gòu)橋隨著曲率半徑的減小，主梁重心偏離橋墩中心距離越來越大，導(dǎo)致主梁和橋墩發(fā)生徑向彎曲變形越來越嚴(yán)重，故橋墩橫向彎矩逐漸增大。對比分析以上4種曲率半徑的曲線剛構(gòu)橋計(jì)算結(jié)果可以看出，橋墩的橫向彎矩增長率較大，最大值達(dá)33.325%。在成橋狀態(tài)，主梁根部的橫向彎矩和橋墩的橫向彎矩與最大懸臂狀態(tài)有相似的規(guī)律。直線剛構(gòu)橋主梁無橫向彎矩，曲線剛構(gòu)橋隨著曲率半徑的減小主梁根部最大橫向彎矩有逐漸增大的趨勢，增加幅度顯著，最大值為24.963%，橋墩的橫向彎矩最大增幅為24.966%。直線剛構(gòu)橋和不同曲線半徑的曲線剛構(gòu)橋主梁根部扭矩計(jì)算結(jié)果如表2所示。

曲率半徑/m 2號墩頂 3號墩頂

左側(cè)薄壁墩 增大率/% 右側(cè)薄壁墩 增大率/% 左側(cè)薄壁墩 增大率/% 右側(cè)薄壁墩 增大率/%

直橋 0 0 0 0

2500 －9833．07 10029．28 －9995．57 9844．82

2000 －12218．21 19．521 1

12498．11 19．754 －12498．1 20．023 12212．31 19．386

1500 －16290．01 24．996 16663．18 24．996 －16663．2 24．996 16282．15 24．996

表2最大懸臂狀態(tài)時(shí)不同曲率半徑橋梁主梁根部扭矩對比

由表2可以看出:主梁根部扭矩?cái)?shù)值較大，比豎向彎矩小1個(gè)數(shù)量級。直線剛構(gòu)橋主梁無扭矩，曲線剛構(gòu)橋隨著曲率半徑的減小，主梁根部最大扭矩逐漸呈增大趨勢，增加幅度顯著，最大增幅為25%。成橋狀態(tài)主梁根部最大扭矩隨曲率半徑的變化規(guī)律與最大懸臂狀態(tài)時(shí)的計(jì)算結(jié)果類似，最大增幅為25%。

2、徑向位移和扭轉(zhuǎn)角

曲線剛構(gòu)橋與直線剛構(gòu)橋相比，會(huì)產(chǎn)生徑向位移。產(chǎn)生徑向變形的主要原因有:(1)由于曲線剛構(gòu)橋存在曲率，使橋墩側(cè)向受力不平衡，產(chǎn)生彎曲變形;(2)橋墩的柔性較大，例如本橋，橋墩為高度達(dá)68m的薄壁空心墩，在由梁體自重產(chǎn)生的豎向壓力和彎矩作用下必然產(chǎn)生較大的變形;(3)橋墩頂墩梁固接，不能產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，梁體隨著橋墩的彎曲變形會(huì)產(chǎn)生側(cè)向翻轉(zhuǎn)，從而減小了懸臂端的橫向變形，故墩頂橫向變形較懸臂端大。直線剛構(gòu)橋和不同圓曲線半徑的曲線剛構(gòu)橋最大徑向變形值如圖4和圖5所示。

圖4最大懸臂狀態(tài)時(shí)不同曲率半徑橋梁最大徑向位移對比

圖5成橋狀態(tài)時(shí)不同曲率半徑橋梁最大徑向位移對比

由圖4和圖5可以看出:隨著橋梁曲率半徑的減小，橋梁的最大徑向變形整體上呈增大趨勢，增加幅度較大，最大懸臂狀態(tài)時(shí)最大增幅為25%，成橋狀態(tài)時(shí)最大增幅為24.95%。說明橋梁彎曲程度越大，引起結(jié)構(gòu)的橫向變形效應(yīng)越大。對于曲線剛構(gòu)橋，扭轉(zhuǎn)角主要由3部分組成:(1)由主梁自身扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生;(2)墩頂處彎曲使懸臂曲梁產(chǎn)生附加扭轉(zhuǎn)角;3)由于幾何曲率影響，懸臂曲梁的豎向彎曲也會(huì)使梁體產(chǎn)生外側(cè)高內(nèi)側(cè)低的變形。

結(jié)束語

綜合上述，為了確保曲線剛構(gòu)橋成橋后內(nèi)力和線形滿足設(shè)計(jì)要求，在施工過程中需要預(yù)設(shè)預(yù)拱度;同時(shí)應(yīng)對施工關(guān)鍵控制截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控，確保橋梁施工質(zhì)量和施工安全。

參考文獻(xiàn)

［1］馬保林．高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［2］李杰．大跨徑PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究［D］．西安:長安大學(xué)，2003．

［3］齊林，黃方林，賈承林．連續(xù)剛構(gòu)橋施工線形和應(yīng)力的分析與控制［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，4(2):29－33．