曲率半徑對小半徑曲線梁橋的內(nèi)力影響研究

代征軍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

曲率半徑對小半徑曲線梁橋的內(nèi)力影響研究

代征軍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

為了研究曲率半徑對曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力的影響，文章以某預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋作為研究對象，采用有限元計(jì)算法，通過設(shè)置三種不同曲率半徑的彎橋方案，分別分析結(jié)構(gòu)在恒載、活載及組合作用下的受力規(guī)律，找出最不利的影響因素，提出相應(yīng)的解決方案，為曲線梁橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

曲率半徑；預(yù)應(yīng)力混凝土；曲線梁橋；有限元

0 引 言

由于曲線梁橋的適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠滿足各種彎曲路線總體的需求，該橋型在城市道路及高速公路建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。研究表明，曲線梁橋在曲率半徑的影響下，會(huì)產(chǎn)生較為明顯的彎扭耦合作用[1-10]，從而導(dǎo)致該橋型出現(xiàn)各種不利的結(jié)構(gòu)病害。

曲率半徑是曲線梁橋受力的最主要的控制因素之一[1，6-7]，隨著曲率半徑的增大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的不利作用越來越明顯，為了詳細(xì)研究曲率半徑在結(jié)構(gòu)受力中的影響，本文以某五跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋作為研究對象，設(shè)置三種不同的曲梁半徑方案，以單純扭轉(zhuǎn)理論[1，6，9-10]為基礎(chǔ)，建立空間梁元[5，7]模型，分別計(jì)算恒載、活載及組合作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及變形大小，從而找出不同曲率半徑下的最不利受力影響因子，提出一定的解決方案，為曲線梁橋設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況及研究方案

本文以某一互通匝道橋的第一聯(lián)為研究對象，該聯(lián)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為5×25 m，梁高為1.5 m，單箱雙室結(jié)構(gòu)，橋梁的跨中橫斷面如圖1所示。

為了有效反映曲率半徑對結(jié)構(gòu)受力的影響，對該橋梁擬定了三種曲梁半徑，即：方案一：R=180 m；方案二：R=120 m；方案三：R=90 m。

圖1 曲線梁橋跨中橫斷面

2 計(jì)算結(jié)果

研究表明，在采用單純扭轉(zhuǎn)理論中的平截面假定[1,6,8]時(shí)，曲率變化對結(jié)構(gòu)的豎向彎矩影響不大，因此，本次計(jì)算重點(diǎn)研究各種工況下不同半徑的曲梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)作用、橫向彎矩效應(yīng)及支座反力變化規(guī)律，找出各種效應(yīng)的最不利影響因子，提出一定的解決措施。

2.1 扭矩計(jì)算結(jié)果

三種半徑的曲梁結(jié)構(gòu)在恒載、活載、預(yù)應(yīng)力及基本組合作用等工況下的扭矩計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，在活載作用下，曲梁結(jié)構(gòu)的曲率半徑變化對結(jié)構(gòu)所受的扭矩大小影響很小，其值基本不變；在恒載、預(yù)應(yīng)力荷載及組合作用下，曲梁結(jié)構(gòu)所受到的扭轉(zhuǎn)作用隨曲率半徑的增加而增大；在組合作用下，曲梁結(jié)構(gòu)的梁端及支點(diǎn)處受到的扭轉(zhuǎn)作用最大。由以上可知，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重曲梁端部及支點(diǎn)的設(shè)計(jì)，可采取加大橫梁尺寸等措施來減少結(jié)構(gòu)端部及支點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)作用。

2.2 扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算結(jié)果

三種半徑的曲梁結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的最不利扭轉(zhuǎn)位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同曲率半徑下的曲梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)圖

圖3 不同曲率半徑下的曲梁結(jié)構(gòu)橫向彎矩圖

由圖3可以看出，幾種曲率半徑條件下，各主梁的扭轉(zhuǎn)變形作用隨著曲率半徑的增大而增加，主梁結(jié)構(gòu)在不同荷載工況作用下，邊跨的扭轉(zhuǎn)變形最大，因此設(shè)計(jì)中要著重考慮到曲梁結(jié)構(gòu)邊跨的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.3 橫向彎矩計(jì)算結(jié)果

本次研究僅對三種方案在各種荷載工況下的結(jié)構(gòu)橫向彎矩進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同曲率半徑下的曲梁結(jié)構(gòu)橫向彎矩圖

由圖4可看出，曲梁結(jié)構(gòu)在幾種荷載工況下的橫向彎矩隨著曲率半徑的增加而逐漸變大，通過對比圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)可發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力荷載對曲梁結(jié)構(gòu)的橫向受彎影響最大，活載與恒載影響相對較小，但變化趨勢均相同。由此可知，預(yù)應(yīng)力荷載在主梁的橫向蠕變中起到關(guān)鍵作用，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮該因素的不利作用，必要時(shí)可減小跨徑，取消預(yù)應(yīng)力，采用普通鋼筋混凝土曲梁結(jié)構(gòu)。

2.4 支承反力計(jì)算結(jié)果

本次研究僅分析三種方案在基本組合作用下的支承反力變化規(guī)律，其計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 不同曲率半徑下的結(jié)構(gòu)支承反力計(jì)算 kN

由表1可知，隨著曲率半徑的增加，曲梁結(jié)構(gòu)各個(gè)墩臺(tái)的支座反力均出現(xiàn)內(nèi)側(cè)變小、外側(cè)變大的趨勢，且變化趨勢較為明顯，由此可知，在曲率半徑達(dá)到一定極限值時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)支座反力有可能出現(xiàn)負(fù)值，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)向外側(cè)翻。為避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)翻，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果設(shè)置一定規(guī)格的抗拉支座。

3 結(jié) 論

(1) 隨著曲率半徑的增加，曲梁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)逐漸增大，其中，梁端及支點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)相對于其他部位更為不利，在設(shè)計(jì)時(shí)，可采取加大橫梁尺寸等措施來減少結(jié)構(gòu)端部及支點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)作用。

(2) 曲梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力荷載是導(dǎo)致梁體橫向蠕變中起到關(guān)鍵作用的因素，設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮該因素的不利影響，必要時(shí)可采取減小跨徑，將梁體設(shè)計(jì)為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(3) 隨著曲率半徑的增加，支座反力呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)減小、外側(cè)增大的趨勢，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)翻，為避免該類問題的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際計(jì)算情況設(shè)置一定規(guī)格的抗拉支座。

[1] 姚玲森.曲線梁[M].北京:人民交通出版社,1989.

[2] 劉云飛.曲線梁橋的設(shè)計(jì)理論與工程應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué),2004.

[3] 方詩圣,肖 兵,張吉爍,等.支座布置形式對曲線梁橋力學(xué)性能的影響[J].世界橋梁, 2011(4)：49～52.

[4] 邵容光,夏 淦.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社, 1996.

[5] 陳華有.城市橋梁中小半徑曲線梁橋設(shè)計(jì)分析[J].中國水運(yùn)(理論版),2008(1)：147～148.

[6] 孫廣華.曲線梁橋計(jì)算[M].北京:人民交通出版社,1997.

[7] 朱 琳.預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋抗扭設(shè)計(jì)分析[D].武漢：武漢理工大學(xué),2006.

[8] 李國豪.橋梁與結(jié)構(gòu)理論研究[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1983.

[9] 李明昭.斷面可變形的矩形箱式薄壁圓弧曲桿靜力分析法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1982(2):39～42.

[10] 高島春生.曲線梁橋[M].張德禮譯. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1979.

2016-10-10；修改日期：2016-10-12

代征軍(1975-)，男，安徽含山人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司高級工程師．

U448.42

A

1673-5781(2016)05-0589-03