裝配式寬幅連續(xù)梁橋支座受力研究

鄢穩(wěn)定, 郭風(fēng)俊, 時元緒, 鄧淇元, 鄔曉光*

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2. 山西省高速公路集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,公路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,車流量及汽車行駛速度也隨之增大.為了保證城市交通的安全與暢通,城市道路不斷拓寬.裝配式寬幅連續(xù)梁橋由于預(yù)制簡單、整體性好、跨徑較大、統(tǒng)一運(yùn)輸安裝等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的推廣運(yùn)用,在橋梁建設(shè)中扮演著越來越重要的角色[1],尤其在城市主干道橋梁設(shè)計中,寬跨比大于1的橋梁日益增多[2-3].然而,由于支座受力及布置不當(dāng)帶來橋梁的病害實(shí)例屢見不鮮,比如支座脫空、梁體翹曲、梁體側(cè)移、側(cè)傾等.因此,對橋梁支座進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析,并設(shè)置合理的支座布置形式是保證裝配式寬橋正常運(yùn)營的重要因素[4-8].

目前梁橋支座研究主要集中于窄橋支座結(jié)構(gòu)分析和支座的疲勞性能研究[9-10],對于寬橋的支座受力及布置研究還比較少.李枝軍等[11]研究了寬跨比為1.00的超寬橋的地震反應(yīng)特點(diǎn),指出了超寬橋在橫向地震作用下支座的反力和剪力較大,且分布嚴(yán)重不均勻,從抗震的角度對支座進(jìn)行了優(yōu)化布置;王珊珊等[12]指出超寬橋的地震反應(yīng)明顯大于普通橋,其支座剪力達(dá)到普通橋的2～4倍;程建旗等[13]對異形寬幅連續(xù)箱梁橋支座反力進(jìn)行了分析,提出對于支座橫向布置不對稱的橫梁結(jié)構(gòu),可以通過橫梁鋼束產(chǎn)生的二次力對支座反力進(jìn)行重新分配調(diào)整,使得支座恒載反力趨于均衡.從現(xiàn)有的研究成果來看,寬跨比為0.75以上的寬橋支座受力分析和優(yōu)化還存在不足.

本文從寬跨比方面探究了裝配式寬幅連續(xù)梁橋的支座受力,由于在實(shí)際施工中,裝配式連續(xù)梁橋通常采用多片T梁或多片小箱梁通過濕接縫和橫隔板連接而成,且一般為中小跨徑,故本文選取具有較強(qiáng)代表性的貴州某工程項(xiàng)目實(shí)際的裝配式連續(xù)T梁和連續(xù)箱梁橋設(shè)計通用圖紙,對于此類橋梁并在此基礎(chǔ)上通過改變梁片數(shù)增大橋面寬度,進(jìn)而得到一系列寬跨比,然后采用MIDAS/Civil建立不同寬跨比的裝配式連續(xù)T梁橋和裝配式連續(xù)箱梁橋的有限元模型.通過比較分析寬跨比增大時支座的受力及位移,得出支座受力和位移隨寬跨比的變化關(guān)系,從而提出合理的支座布置方式及建議,并為類似橋梁的支座設(shè)計及布置提供參考.

1 工程依托

本文以貴州地區(qū)2座裝配式寬橋?yàn)楣こ桃劳姓归_研究,1座為裝配式預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁橋,汽車載荷等級為公路-Ⅰ級,橋跨布置為4×20 m,橋面寬度為15 m,共計6片T梁,每片梁寬2.5 m,通過濕接縫和橫隔板連接,每跨設(shè)置4道橫隔板,橋梁上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土,預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa、公稱直徑15.20 mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線.另1座為橋跨3×30 m的裝配式預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋,汽車載荷等級為公路-Ⅰ級,橋面寬度為24 m,共計8片箱梁,每片梁寬3.0 m,每跨設(shè)置5道橫隔板,上部結(jié)構(gòu)采用C55混凝土,預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa、公稱直徑15.20 mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線.2座橋梁均考慮橋梁結(jié)構(gòu)受溫度的影響,整體升溫按照+22 ℃,整體降溫按照-22 ℃,梯度溫度正負(fù)溫差按10 cm厚瀝青鋪裝考慮.支座布置方式均為1#橋墩處采用縱向固定支座,2#主梁處采用橫向固定支座,其余均為雙向活動支座.裝配式連續(xù)T梁橋梁端截面如圖1所示,裝配式連續(xù)箱梁橋梁端截面如圖2所示.

圖1 連續(xù)T梁橋梁端截面圖(單位:cm)Fig.1 End section of continuous T beam bridge (unit: cm)

圖2 連續(xù)箱梁橋梁端截面圖(單位:cm)Fig.2 End section of continuous box girder bridge(unit: cm)

2 有限元分析模型

為了準(zhǔn)確模擬裝配式寬幅連續(xù)梁橋的空間受力特性, 采用梁格法分別建立裝配式連續(xù)T梁有限元模型和裝配式連續(xù)箱梁有限元模型, 支座布置位置與實(shí)際相同. 此外,為了更全面地考慮多種載荷所產(chǎn)生的支座效應(yīng), 選取1.2×(恒載荷+鋼束2次載荷)+1.0×(徐變2次載荷+收縮2次載荷)+1.4×移動載荷+1.05×(整體升溫載荷+溫度梯度升溫載荷)的基本載荷組合.橋梁模型如圖3、圖4所示.其中連續(xù)T梁有限元模型由1 109個節(jié)點(diǎn),948個單元的梁格體系構(gòu)成; 連續(xù)箱梁有限元模型由1 760個節(jié)點(diǎn),1 591個單元的梁格體系構(gòu)成. 2座橋梁在實(shí)際橋梁支座的基礎(chǔ)上, 通過計算得到各自的支座剛度, 然后在模型中相應(yīng)位置處賦予一定剛度的彈性連接模擬支座, 進(jìn)而算出支座在載荷組合下的準(zhǔn)確受力及位移.

圖3、圖4分別是寬跨比為0.75和0.80的實(shí)橋有限元模型,在此基礎(chǔ)上通過增加主梁片數(shù),再建立寬跨比為1.00(8片梁)、1.25(10片梁)和1.50(12片梁)的連續(xù)T梁橋模型和寬跨比為1.00(10片梁)、1.20(12片梁)和1.40(14片梁)的連續(xù)箱梁橋模型,并分別對其進(jìn)行運(yùn)行分析.

圖3 4跨連續(xù)T梁有限元模型Fig.3 Finite element model of four span continuous T beam

圖4 3跨連續(xù)箱梁有限元模型Fig.4 Finite element model of three span continuous box girder

3 支座受力分析

3.1 支座反力分析

從模型結(jié)果數(shù)據(jù)中提取不同寬跨比下的支座反力進(jìn)行比較,裝配式連續(xù)T梁支座反力見表1及圖5,裝配式連續(xù)箱梁支座反力見表2及圖6.

由表1及圖5可知:對于裝配式連續(xù)T梁橋,中間墩支座的豎向反力最大,而且越靠近橋臺支反力越小,全橋支反力數(shù)值呈現(xiàn)凸曲線的特性.另外,寬跨比從0.75增大到1.50,支座豎向反力逐漸增大,但增加幅度相對較小,橋臺處反力為300 kN以上,而橋墩處支座反力為600 kN以上,約為橋臺的2倍.

圖5T梁支座豎反力變化規(guī)律

Fig.5VariationofverticalcounterforceofTbeambearing

表1 T梁各墩臺處支座豎反力平均值Table 1 Aaverage vertical counterforce of the abutment of T beam

表2 箱梁各墩臺處支座豎反力平均值Table 2 Average vertical counterforce of the abutment of box girders

圖6箱梁支座豎反力變化規(guī)律

Fig.6Variationofverticalcounterforceofboxbeambearing

對于裝配式連續(xù)箱梁橋,由表2及圖6可知:1#橋臺和2#橋臺處的支座豎反力隨寬跨比的變化規(guī)律曲線基本重合,1#橋墩和2#橋墩處的支座豎反力變化曲線也基本重合,這也側(cè)面反映出橋梁結(jié)構(gòu)和受力的對稱性.隨著寬跨比的增大,橋臺和橋墩處的支反力數(shù)值都出現(xiàn)了較小的上下波動,但總體而言,支座豎反力基本不變.此外,橋臺處支座反力穩(wěn)定在250 kN以上,橋墩處支座反力在500 kN以上,約為橋臺處的2倍.

3.2 支座順橋向位移

連續(xù)T梁橋的支座順橋向位移如表3所示,連續(xù)箱梁橋的支座順橋向位移如表4所示.

表3 T梁各墩臺處支座順橋向位移平均值Table 3 Longitudinal average displacement of supports at each pier of T beam

表4 箱梁各墩臺處支座順橋向位移平均值Table 3 Longitudinal average displacement of supports at each pier of box beam

由表3可以看出,對于裝配式連續(xù)T梁橋,含縱向固定支座的1#橋墩處,支座順橋向位移很小,幾乎可以忽略不計,并以其為中心,越靠近邊墩支座順橋向位移越大.隨著寬跨比從0.75增大到1.50,支座的順橋向位移變化很小,變化幅度在0.5 mm以內(nèi),位移值基本不變.

對于裝配式連續(xù)箱梁橋,由表4可知,布置縱向固定支座的1#橋墩處支座順橋向位移很小,但由其到橋端處支座順橋向位移越來越大.另外,寬跨比由0.80增大到1.40,各墩臺處支座的順橋向位移幾乎不變.

3.3 支座橫橋向位移

將不同寬跨比下的支座橫橋向位移進(jìn)行比較,裝配式連續(xù)T梁橋的支座橫橋向位移見表5,裝配式連續(xù)箱梁的支座橫橋向位移見表6.

表5 裝配式連續(xù)T梁橋各主梁處支座橫橋向位移平均值

表6 裝配式連續(xù)箱梁各主梁處支座橫橋向位移平均值Table 6 Average lateral displacement of supports at each main girder of assembled continuous box girder

對于連續(xù)T梁的支座橫橋向位移,由表5可以看出,2#主梁布置的是橫橋向固定支座,其位移很小,幾乎為零,并以2#主梁為中心,越靠近邊梁支座橫橋向位移越大,但位移值總體較小.隨著寬跨比的增大,支座橫橋向位移也在緩慢增大,但增加值較小,且最大位移量僅為5.65 mm,一般活動支座均能滿足要求.

從表6可以得出,連續(xù)箱梁的支座橫橋向位移的變化規(guī)律與連續(xù)T梁的基本一致,且寬跨比從0.80逐漸增加到1.40時,支座橫橋向位移也逐漸增加,但增加幅度較小,最大位移量僅為8.15 mm,一般活動支座也均能滿足要求.

4 結(jié) 論

(1) 對于跨徑一定的裝配式連續(xù)梁橋,隨著寬跨比的增大,各墩臺處的支座豎向反力總體保持穩(wěn)定,數(shù)值基本不變,且橋墩處反力約為橋臺的2倍.因此,在支座布置時,橋臺處應(yīng)布置承載力較低的支座,而橋墩處支座的承載力可約為橋臺的2倍.

(2) 中小跨徑的裝配式連續(xù)T梁橋或連續(xù)箱梁橋,當(dāng)跨徑不變,寬跨比逐漸增大時,支座順橋向位移基本不變,支座橫橋向位移逐漸增大,但增加量較小.由此可知,寬跨比的增加對于橋梁支座的縱橋向位移基本沒有影響.

(3) 由數(shù)據(jù)分析可以得出,對于跨徑在30 m以下,且寬跨比在1.50以內(nèi)的裝配式連續(xù)梁橋,寬跨比的增加對支座的橫橋向位移影響較小,一般活動支座都能滿足要求,所以在支座選型時可以不考慮.