偏載下支座脫空對多跨連續(xù)梁受力性能的影響

雷素敏

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是目前應(yīng)用較為廣泛的橋型[1]。近年來，隨著鐵路交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋以其跨越能力大、造型簡潔、行車舒適、施工方便等優(yōu)點而逐漸被公路、城市、鐵路橋梁采用[2]，數(shù)量逐漸增多。

多跨長聯(lián)連續(xù)梁聯(lián)長較長，橋面較寬，常采用多線運營的模式。多線運營在給交通帶來便利的同時，也引發(fā)連續(xù)梁的偏載問題，加之連續(xù)梁在使用過程中由于支座壽命限制等原因造成的支座脫空，使得多跨長聯(lián)連續(xù)梁的偏載效應(yīng)問題更加突出，進而影響其受力性能。

劉文忠等[3]分析了支座脫空的原因及危害，并提出了改進措施；朱小青等[4]研究發(fā)現(xiàn)，支座脫空對橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能影響較大；羅澤輝等[5]研究發(fā)現(xiàn)，支座脫空對支座支反力及橋梁局部應(yīng)力影響較大；孫全勝等[6]對曲線梁橋的支座脫空進行了研究，并提出了一些改善建議。周正茂等[7]對支座脫空進行了研究，提出支座脫空前后橋梁的變形規(guī)律；陳福斌等[8]利用橋博分析軟件對支座脫空進行分析，提出預(yù)防支座脫空的建議。

綜上所述，較多學(xué)者已對支座脫空的危害以及預(yù)防措施進行了相關(guān)研究，但卻缺少支座脫空對橋梁受力性能影響的定量研究[9]。本文以一多跨長聯(lián)連續(xù)梁為例，分析不同偏載工況下支座脫空前后連續(xù)梁各支墩支座支反力的分布規(guī)律，為多跨長聯(lián)連續(xù)梁在偏載作用下的支座布設(shè)提供參考及理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

杭州錢江鐵路新橋是滬杭甬客運專線杭甬段和杭長客運專線跨越錢塘江干流杭州市河段的橋梁，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用(45+65+14×80+65+45)m四線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案，共計18孔一聯(lián)，梁全長1 341.7 m。多跨長聯(lián)連續(xù)梁采用單箱三室橫截面，如圖1所示。

圖1 橫斷面(單位：m)

新橋設(shè)計行車速度200 km/h，橋梁位于直線上，采用ZK活載；橋墩各支點沿橫向設(shè)4個支座，橋梁采用縱向和豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。新橋橋型如圖2所示。杭州錢江鐵路新橋是目前世界上設(shè)計時速最高、聯(lián)長最長、承受鐵路荷載最大的多跨長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁鐵路橋。

圖2 杭州錢江鐵路新橋橋型

2 有限元半梁模型建立

基于杭州錢江鐵路新橋的縱橋向?qū)ΨQ性，采用MIDAS/Civil建立1/2梁體對稱模型進行分析。采用空間板殼單元模擬箱梁頂板、底板、腹板和人行道板，采用實體單元模擬支點橫梁以及跨中橫梁。杭州錢江鐵路新橋半梁模型如圖3所示。模型共計10個支墩，43#墩和44#墩之間跨徑為45 m，44#墩和45#墩之間跨徑為65 m，其他墩之間跨徑為80 m。

圖3 杭州錢江鐵路新橋半梁模型

3 支座未脫空時支墩受力分析

3.1 偏載工況

為了研究杭州錢江鐵路新橋在不同活載偏載工況下各支墩支座支反力的分布規(guī)律，沿橋梁橫向布置4種偏載工況對結(jié)構(gòu)進行加載，見圖4。由于該橋梁結(jié)構(gòu)沿橋面中心線對稱，故偏心加載時僅按對橋面中心線一邊最不利情況布置。

圖4 杭州錢江鐵路新橋偏載工況

3.2 支座未脫空時支反力分析

在支座全不脫空的情況下，按照TB 10621—2009《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定[10]，單線和雙線不計入折減系數(shù)，三線和四線計入0.75的折減系數(shù)。將橫向4個支座按照邊支座、中支座、中支座、邊支座的順序排列，其支反力依次記為R1～R4。

依照上述4種偏載工況按影響線加載求最大支反力，單線和雙線的最大支反力是其中2種偏載工況的最大效應(yīng)值。支反力對比如圖5所示。可知：由單線引起的支反力較??；各支墩邊支座最大支反力由雙線加載控制；中支座最大支反力由四線加載控制。因此在四線連續(xù)梁支座布設(shè)時，應(yīng)同時考慮由雙線、四線加載引起的最不利支反力的影響。

圖5 支反力對比

設(shè)最大活載支反力偏載系數(shù)μ為

(1)

式中：Rs(1，2，3，4)max為按照影響線加載下求得的4種偏載工況下各支座的最大支反力，用R′表示；(R1p+R2p+R3p+R4p)/4為利用平面活載加載方式計算4種偏載工況下4個支座支反力的平均值，用R″表示。

計算得到最大活載支反力偏載系數(shù)見表1?？芍?，最大活載支反力偏載系數(shù)43#邊支墩約為1.261，52#中支墩約為1.300，各活載支反力最大偏載系數(shù)在各支墩分配均不均勻。其中，43#支墩與44#支墩的邊支座、中支座偏載系數(shù)分別相差0.143，0.111，在各支墩中分配最不均勻。80 m跨支墩邊支座和中支座偏載系數(shù)相差較小，分配比邊跨支墩均勻。因此，支墩反力偏載系數(shù)與支墩位置和支座位置均關(guān)聯(lián)較大。

表1 最大活載支反力偏載系數(shù)

4 支座脫空時支墩受力分析

4.1 支座脫空工況

在橋梁施工過程中，如果梁體和支座出現(xiàn)空隙或接觸不充分就叫做梁體支座脫空[11]。分別計算分析支座脫空工況下各支墩支座的支反力分布規(guī)律,支座脫空工況如表2所示。

表2 支座脫空工況

4.2 支座脫空時支反力分析

分別計算對比在以上8種支座脫空工況下，梁體在自重和最不利活載作用下其他未脫空支座支反力的大小，支反力增大系數(shù)k為

(2)

工況1和工況2支反力增大系數(shù)分別見表3和表4。表中數(shù)據(jù)的書寫格式為A/B，A表示在自重作用下支座脫空時的支反力增大系數(shù)，B表示在最不利活載作用下支座脫空時的支反力增大系數(shù)；k1,k4分別為邊支座支反力增大系數(shù)；k2,k3分別為中支座支反力增大系數(shù)。

由表3和表4可知：①45 m邊跨支墩邊支座和中支座脫空對43#墩和44#墩的支反力增大系數(shù)造成較大的影響，其他支墩支反力增大系數(shù)均為1/1，故支座脫空對本支墩支座的影響較大，其次是相鄰支墩的支座，而對其他支墩的支座影響很小。②對比表3和表4 中44#墩的支反力增大系數(shù)可知，在工況1作用下，邊支座脫空比中支座脫空對其他支座的影響更大。③在工況1作用下，支反力增大系數(shù)在0.57～2.78，且自重作用下的支反力增大系數(shù)比活載作用下的支反力增大系數(shù)小。因此，多跨長聯(lián)連續(xù)梁施工控制中應(yīng)重點關(guān)注活載效應(yīng)下邊跨支座脫空帶來的不利影響。

表3 工況1支反力增大系數(shù)

表4 工況2支反力增大系數(shù)

工況3和工況4支反力增大系數(shù)分別見表5和表6。

表5 工況3支反力增大系數(shù)

表6 工況4支反力增大系數(shù)

由表5和表6可知：①45 m+65 m跨邊支座和中支座脫空對本支墩相鄰支座的影響大于其他支墩的支座，且中支座脫空帶來的影響較邊支座脫空??；②在工況3和工況4作用下，支反力增大系數(shù)在0.93～2.19。自重和最不利活載作用下，由支座脫空造成的支反力增大系數(shù)無明顯差別。

工況5和工況6支反力增大系數(shù)分別見表7和表8。由表7和表8可知：①65 m+80 m跨邊支座和中支座脫空工況下，支座脫空對其他支墩支座上支反力的影響與工況1～工況4的規(guī)律相似。②在工況5和工況6作用下，65 m+80 m跨邊支座脫空使得44#支墩的支反力增大系數(shù)有稍微的改變，而65 m+80 m跨中支座脫空則對44#支墩的支反力增大系數(shù)影響較小，故邊支座脫空比中支座脫空對其他支座的影響更大。③在工況5和工況6作用下，支反力增大系數(shù)在0.64～2.23，由自重和最不利活載造成的支反力增大系數(shù)分布并無明顯規(guī)律。

表7 工況5支反力增大系數(shù)

表8 工況6支反力增大系數(shù)

工況7和工況8支反力增大系數(shù)分別見表9和表10。

表9 工況7自重、最不利活載下支反力增大系數(shù)

表10 工況8自重、最不利活載下支反力增大系數(shù)

由表9和表10可知：80 m+80 m跨邊支座和中支座脫空工況下，支反力增大系數(shù)在0.61～2.25，邊支座脫空對本支墩及鄰近支墩支座的支反力增大系數(shù)影響比中支座脫空明顯，中支座脫空僅對本支墩支座支反力增大系數(shù)產(chǎn)生影響，且支反力增大系數(shù)波動性較小。

綜上可知，支座脫空會對本墩及相鄰兩墩各支座的支反力產(chǎn)生影響，但其主要影響的還是同一墩上其他支座的支反力，對相鄰墩支座支反力略有影響。在恒載作用下，邊支座脫空可使同一墩上相鄰的中支座反力增大到原來的2.04～3.39倍；中支座脫空可使同一個墩上相鄰的邊支座反力增大到原來的1.31～1.73倍。在活載作用下，邊支座脫空可使同一墩上相鄰的中支座反力增大到原來的1.73～2.78倍；中支座脫空可使同一個墩上相鄰的邊支座反力增大到原來的1.34～1.61倍。由此可知，邊支座脫空比中支座脫空危險性更大。

5 結(jié)論

本文按照4種偏載工況，采用相應(yīng)研究參數(shù)為分析指標(biāo)，對多跨長聯(lián)連續(xù)梁分別進行支座未脫空和脫空情況下的受力分析，得出以下結(jié)論：

1)支座未脫空時，各支墩邊支座最大支反力由雙線加載控制，中支座最大支反力由四線加載控制；支墩反力偏載系數(shù)與支墩位置和支座位置有關(guān)。

2)邊跨支墩支座脫空對支反力增大系數(shù)的影響比次中跨和中跨支墩支座脫空的影響大，因此，應(yīng)重點考慮邊跨支墩支座脫空造成的不利影響。

3)支座脫空對本支墩支座影響較大，鄰近支墩支座次之，其他支墩支座的影響最小.

4)綜合來看，邊支座脫空帶來的影響比中支座大。對于靠近中跨的支墩，中支座脫空僅對本支墩支座的影響較大，在多跨長聯(lián)連續(xù)梁施工控制過程中，應(yīng)合理布設(shè)支座，有效預(yù)防支座脫空帶來的不利影響。