小半徑曲線梁橋設(shè)計(jì)探討

江 帆

(福州市市政建設(shè)開發(fā)有限公司， 福建 福州 350002)

小半徑曲線梁橋設(shè)計(jì)探討

江 帆

(福州市市政建設(shè)開發(fā)有限公司， 福建 福州 350002)

小半徑曲線梁橋出現(xiàn)病害的現(xiàn)象較為常見。以一座在役的曲線梁橋?yàn)槔?，對其出現(xiàn)病害的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該橋的原設(shè)計(jì)方案存在明顯缺陷。根據(jù)該橋的總體布置和地質(zhì)條件，結(jié)合無伸縮縫橋的相關(guān)研究成果，對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出取消橋臺處伸縮縫，將原橋臺變更為半整體式臺；在聯(lián)接墩上增設(shè)蓋梁，同時將原設(shè)計(jì)的活動支座改為固定支座，并增大支座之間的橫向距離，形成抗扭約束；其余橋墩支座全部改為球形活動支座并設(shè)置預(yù)偏心。對優(yōu)化設(shè)計(jì)后的曲線橋梁進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有明顯的優(yōu)越性，對今后類似工程的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

曲線橋； 小半徑； 支座； 病害； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 無伸縮縫橋梁

上世紀(jì)八十年代以來，中國修建了大量高速公路。在高速公路互通匝道橋中，小半徑的曲線梁橋較為常見。對于大型互通立交而言，其匝道橋數(shù)量很多且互相穿插，若每個橋墩都采用雙柱式，不僅占用橋下空間，而且由于互通范圍內(nèi)橋墩密布，行車視線較差。由于匝道橋的跨度和寬度一般不大，為了匝道橋橋型的美觀以及橋下道路布設(shè)的需要，一些工程師在進(jìn)行匝道橋的橋墩設(shè)計(jì)時采用獨(dú)柱式橋墩?？傮w而言，大部分匝道橋的獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)是成功的，然而，在運(yùn)營過程中，匝道橋也出現(xiàn)較多的病害，其中設(shè)置獨(dú)柱墩的小半徑曲線梁橋的支座病害最為常見，需要重點(diǎn)研究。

在工程實(shí)踐中，我國橋梁建設(shè)者對曲線梁橋的受力特征及合理邊界條件開展了大量的研究。任茶仙等(2000)[1]研究了連續(xù)曲線箱梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。陳枝洪等(2006)[2]分別應(yīng)用梁格法和簡單梁法，分析了獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁受力的基本特征及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。陳忠潮(2008)[3]闡述了曲線梁橋的常見病害及原因分析，提出曲線橋的設(shè)計(jì)不宜過分強(qiáng)調(diào)應(yīng)力儲備，宜樹立“弱配(鋼)束、強(qiáng)配(鋼)筋”理念。許莉等(2009)[4]應(yīng)用空間有限元法，分析了在不同荷載、不同支座布置形式下曲線箱梁橋的支座反力和位移，對其合理的支座布置形式進(jìn)行探討。李翊策等(2012)[5]采用有限元法對不同墩高曲線梁橋的受力性能進(jìn)行分析，建議墩高大于8 m的曲線梁橋采用墩梁現(xiàn)澆固結(jié)，墩高較矮的曲線梁橋采用固定支座，并設(shè)置徑向外側(cè)的預(yù)偏心。張健、孫全勝、姜愛國、李廣慧、平然等(2013)[6-10]對設(shè)置獨(dú)柱墩的曲線梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性和各種不同支承體系下的曲線梁橋的受力性能進(jìn)行了研究，并對曲線梁橋的設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐中存在的問題進(jìn)行探討。呂宏奎、彭新星等(2013、2014)[11，12]對曲線梁橋的支座設(shè)置、支座偏位問題及糾偏方案進(jìn)行了研究。

本文以某小半徑匝道橋在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的病害為例，對其病害原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)一步對工程實(shí)踐中常見的小半徑曲線梁橋的設(shè)計(jì)方案和加固措施進(jìn)行討論。在收集既有研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合該橋的總體布置和橋址處的地質(zhì)條件，提出比原設(shè)計(jì)方案和相關(guān)文獻(xiàn)更為合理、更為可靠的設(shè)計(jì)方案，可為今后類似工程借鑒。

1 工程概況

1.1 橋梁基本情況介紹

該橋的橋跨組合為18.0 m +4×20.0 m +18.0 m，平曲線半徑為55.0 m，橋面縱坡為3.281%。B匝道橋標(biāo)準(zhǔn)斷面為橋面寬度8.0 m+2×0.5 m防撞護(hù)欄，全寬9.0 m，匝道橋平面布置圖見圖1。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板梁。下部結(jié)構(gòu)中墩臺編號順序?yàn)閺淖蟮接疫f增，起點(diǎn)橋臺(0號)采用鋼筋混凝土肋板式臺、樁基礎(chǔ)；橋墩均采用鋼筋混凝土樁柱式墩，其中1號、2號、4號、5號墩采用單柱式，3號、6號墩(聯(lián)接墩)采用雙柱式。本橋的支座型號有4000GD、6000DX、2000DX 、3000DX等。根據(jù)橋位地質(zhì)勘探報(bào)告，本橋地表處淤泥層厚度為16～26 m之間。

圖1 匝道橋橋型布置圖

1.2 病害狀況

根據(jù)橋梁檢測報(bào)告，發(fā)現(xiàn)該橋除3號墩上固定支座外，其他支座都出現(xiàn)橫向滑移現(xiàn)象，滑移最嚴(yán)重的為伸縮縫處6號墩上支座，滑移量達(dá)7.0 cm；橋臺伸縮縫處的內(nèi)側(cè)支座和6號墩墩頂處的內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，兩支座上下鋼板銹蝕嚴(yán)重。由于梁體的整體跑位，伸縮縫出現(xiàn)上下錯位的情況，橋臺內(nèi)側(cè)擋塊被梁體推擠，已經(jīng)出現(xiàn)較明顯的裂縫，見圖2。

2 原因分析

2.1 原設(shè)計(jì)方案不夠合理

從既有的相關(guān)研究資料[1-12]的分析可知，當(dāng)曲線橋的半徑很小且一聯(lián)的橋孔數(shù)量較多時，容易出現(xiàn)伸縮縫處內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象。該橋的平曲線半徑僅55 m，一聯(lián)的橋孔數(shù)量達(dá)到6跨，且聯(lián)端處支座的橫向距離偏小，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷，其總體布置上可能存在不合理之處。為進(jìn)一步了解該橋的受力情況，采用國內(nèi)設(shè)計(jì)單位常用的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件“橋梁博士V3.3”，對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

a) 內(nèi)側(cè)支座脫空

b) 墩上支座偏位

c) 伸縮縫錯位

d) 擋塊被推擠

計(jì)算時首先根據(jù)該橋的平曲線半徑、原設(shè)計(jì)空心板尺寸、邊界條件等，采用三維梁單元對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散；根據(jù)該橋在建造過程中，采用逐孔現(xiàn)澆的施工工藝，在計(jì)算分析時將橋梁施工階段分為5個步驟，前4個步驟根據(jù)現(xiàn)澆空心板的實(shí)際施工節(jié)段安裝梁單元，并張拉相應(yīng)節(jié)段的預(yù)應(yīng)力鋼束，第5個步驟為橋面鋪裝和欄桿的施工階段。成橋后的全橋計(jì)算模型見圖3。橋梁的結(jié)構(gòu)自重、設(shè)計(jì)車輛荷載、車道布置、梁截面梯度溫度及升溫降溫模式等計(jì)算參數(shù)，均根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 — 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》(JTJ023 — 85)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取值。

各支座在現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范最不利荷載組合下的最大反力Nmax、最小反力Nmin的計(jì)算結(jié)果見表1。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，1號墩和5號墩、2號墩和4號墩、0號臺和6號墩的支座反力非常接近，表1不再列出。從表1可見，雙支座布置的墩臺(0號臺、3號墩)的曲線內(nèi)側(cè)支座均出現(xiàn)負(fù)反力。6號墩支座反力與0號臺非常接近，其內(nèi)側(cè)支座的最小反力同樣為負(fù)值。通過對分項(xiàng)荷載效應(yīng)的進(jìn)一步分析可知，曲線預(yù)應(yīng)力索的空間效應(yīng)、非均勻溫度梯度作用、空心板的收縮徐變等不利組合的彎扭耦合作用，使該橋內(nèi)側(cè)支座反力很小甚至出現(xiàn)負(fù)值，最終出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象。

表1 原設(shè)計(jì)各支座反力匯總表kN編號NmaxNmin0—11372-260—218734321408130122418331813—12682-163—236931191

2.2 超載現(xiàn)象較嚴(yán)重

該橋位于沿海經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)，交通量非常大，甚至經(jīng)常出現(xiàn)橋上堵車的現(xiàn)象；根據(jù)實(shí)際通行車輛的噸位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一些貨車的總重量甚至超過100 t，大大超出JTG D60 — 2004規(guī)范所規(guī)定的公路一級的車輛荷載。

由于車輛超載、溫度變化、曲線預(yù)應(yīng)力束的空間效應(yīng)等耦合作用，內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的邊界條件發(fā)生變化，對上部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響較為顯著。根據(jù)不定期的觀測結(jié)果，該橋支座的滑移量仍在繼續(xù)發(fā)展。由于梁體的開裂，受力鋼筋更容易受到雨水、大氣環(huán)境的腐蝕，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度均有所降低，且該橋的交通量較大，在頻繁車輛荷載作用下，空心板的開裂日趨嚴(yán)重，亟需進(jìn)行維修加固。

并發(fā)癥發(fā)生率：研究組（5.00%）顯著較對照組（25.00%）低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表 2。

3 討論

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案一

一般認(rèn)為，出現(xiàn)支座脫空的現(xiàn)象，是由于支座位置的布設(shè)不合理[3-5]。為此，擬將獨(dú)柱墩(1號墩、2號墩、4號墩、5號墩)支座向曲線外側(cè)橫向外移21 cm；將0-2支座、3-2支座向曲線外側(cè)橫向外移33 cm。支座位置調(diào)整后，其最不利荷載組合下的最小支反力見表2，可見，所有支座均不再出現(xiàn)負(fù)反力。

可見，通過適當(dāng)調(diào)整橋墩和橋臺的支座位置，就能夠在一定程度上改善該橋的受力狀態(tài)。從設(shè)計(jì)角度，對支座的位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整并不困難，對工程造價的影響也是有限的。因此，在設(shè)計(jì)階段，對曲線橋梁的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行全面細(xì)致的分析，是非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

表2 支座反力匯總表(支座位置調(diào)整后)kN編號Nmin編號Nmin0-1225231580-22733-1395129933-2868

文獻(xiàn)[3]指出，只要聯(lián)端抗扭支座間距和中墩支座的預(yù)偏心距的設(shè)置組合得當(dāng)，并輔以適當(dāng)?shù)乃较尬?，結(jié)構(gòu)的安全是有保證的。該文獻(xiàn)在介紹一座曲線橋的加固措施時，提出在聯(lián)端分離式雙柱頂增設(shè)蓋梁，并將支座(橋臺支座及6號墩支座)的距離拉大，形成聯(lián)端抗扭支座從而達(dá)到改善聯(lián)端曲線內(nèi)側(cè)支座受力的目的。

然而，調(diào)整支座位置的措施雖可達(dá)到改善支座受力，并有效地避免支座出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，但卻難以解決空心板聯(lián)端橫向位移的問題。這種由于溫度變化、豎向荷載作用所產(chǎn)生的空心板聯(lián)端橫向位移，使伸縮縫出現(xiàn)上下錯位(見圖2c)，在長期車輛荷載的沖擊作用下，伸縮縫極易損壞；同時，空心板在聯(lián)端的橫向位移對橋臺擋塊將產(chǎn)生很大的推擠作用，將可能導(dǎo)致橋臺擋塊的徹底破壞(見圖2d)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一仍存在不足，需要尋找新的解決辦法。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案二

從第2節(jié)和第3.1節(jié)的分析可知，小半徑彎橋的常見病害一般集中在空心板的聯(lián)端翹曲和橫向位移。因此，若能對空心板的聯(lián)端進(jìn)行適當(dāng)約束，同時在其余墩上設(shè)置變形能力大的球形活動支座，使空心板的變形通過其曲率的微小變化實(shí)現(xiàn)，有望從根本上解決現(xiàn)有的小半徑曲線梁橋存在的病害問題。

根據(jù)該橋的總體布置和地質(zhì)條件，為了有效地限制空心板的聯(lián)端橫向位移和翹曲，擬取消橋臺處伸縮縫，將原橋臺變更為半整體式臺；按第3.1節(jié)的設(shè)計(jì)在聯(lián)接墩上增設(shè)蓋梁，所增設(shè)的蓋梁在曲線外側(cè)的擋塊尺寸應(yīng)適當(dāng)加大(聯(lián)接墩構(gòu)造見圖4)，以便抵抗空心板由于溫度變化等原因所產(chǎn)生的橫橋向剪切力；根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，適當(dāng)增大3號墩及聯(lián)接墩處支座之間的橫向距離，形成抗扭約束；1號～5號橋墩支座全部改為變形能力更大的球形活動支座，以適應(yīng)空心板梁曲率的變化；所有獨(dú)柱墩處的支座均根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，進(jìn)行支座預(yù)偏心的合理設(shè)置。

圖4 聯(lián)接墩(6號)結(jié)構(gòu)圖

目前，無伸縮縫曲線梁橋的設(shè)計(jì)、研究、工程應(yīng)用已有一些基礎(chǔ)和工程實(shí)例。早在1972年，加拿大的安大略省就已經(jīng)建成一座長度為598.3 m的無伸縮縫曲線橋，該橋曲率半徑在218～1165 m之間變化，其主梁的溫度變形是利用弧形梁體水平面內(nèi)的彎曲變形得以實(shí)現(xiàn)[13]。既有文獻(xiàn)研究資料表明，考慮橋墩的轉(zhuǎn)動能力和橋臺的承載能力時，整體式橋臺橋梁的極限長度可以達(dá)到540 m;考慮溫度位移產(chǎn)生的疲勞影響時，整體式橋臺橋梁的極限長度可以達(dá)到450 m;考慮橋頭搭板的耐久性時，極限長度可以達(dá)到430 m[14]。

常用的無伸縮縫橋梁的類型有整體式、半整體式、延伸橋面板等。一般情況下，當(dāng)橋梁所在位置的地質(zhì)條件較差時(軟弱土層較厚)，其墩臺的抗推剛度相對較小，能適應(yīng)一定長度范圍內(nèi)的空心板梁在溫度變化情況下的伸縮變形。本橋所在位置的地基中，淤泥層總厚度超過20 m，較合適于建造無伸縮縫橋梁。

采用與文獻(xiàn)[14]相同的建模方法，利用ANSYS有限元軟件建立三維有限元模型，對優(yōu)化設(shè)計(jì)后的曲線橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)空心板梁的支座受力均處于受壓狀態(tài)，不再出現(xiàn)負(fù)反力的情況，且有較大的安全儲備；空心板梁在聯(lián)端受到一定的約束，其變形量非常小，可忽略不計(jì)；各墩處支座的變形量均小于25 mm，在球形支座的容許位移范圍之內(nèi)；所有墩臺的承載力均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

目前，國內(nèi)已建成一些無伸縮縫橋梁[15,16]，已積累一些工程經(jīng)驗(yàn)。但總體而言，這種新橋型仍有一些問題需要進(jìn)一步研究，如橋臺 — 樁 — 土系統(tǒng)的非線性作用以及簡化計(jì)算方法、無伸縮縫橋梁的有效溫度、半整體式或整體式橋臺橋梁的受力性能等。

4 結(jié)語

曲線梁橋是最為常見的橋型之一，已經(jīng)在我國的高速公路互通立交橋梁和大量的城市立交橋梁中得以廣泛的應(yīng)用。由于曲線梁橋彎扭耦合的受力性能、預(yù)應(yīng)力鋼束的空間耦合效應(yīng)[17]、溫度變化的作用，以及橋梁設(shè)計(jì)方案存在的不合理性、橋梁在運(yùn)營過程中常見的超載現(xiàn)象等復(fù)雜原因，部分小半徑曲線梁橋出現(xiàn)較為嚴(yán)重的病害，存在一定的安全隱患，需要引起重視。

通過對一座實(shí)橋的病害進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該橋的主要病害在于部分支座(曲線內(nèi)側(cè))出現(xiàn)脫空，且空心板在聯(lián)端位置的橫向位移過大，使原設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)在一定程度上發(fā)生改變。對原設(shè)計(jì)方案的橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，發(fā)現(xiàn)其存在明顯的不合理之處，是導(dǎo)致該橋出現(xiàn)嚴(yán)重病害的主因。對既有的加固案例及曲線梁橋的研究資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)常用的加固方案和設(shè)計(jì)優(yōu)化方法雖可在一定程度上改善支座的受力狀態(tài)，但仍無法解決空心板在聯(lián)端位置的橫向位移過大的問題。

根據(jù)該橋的總體布置和橋位處的軟弱土層較厚的地質(zhì)條件，結(jié)合既有的無伸縮縫橋的相關(guān)研究成果，提出對空心板的聯(lián)端進(jìn)行適當(dāng)約束，同時對所有支座的位置和類型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，并采用有限元法對優(yōu)化方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，優(yōu)化方案具有明顯的優(yōu)越性，適合于軟土地基條件下的曲線梁橋的設(shè)計(jì)，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)借鑒。

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2016-06-21

江帆( 1972-) ，男，高級工程師，主要從事市政建設(shè)。

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