不同約束方式對(duì)匝道橋力學(xué)性能影響研究

李繹青，張紅顯

(1. 長沙學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410022；2. 長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)用地較為緊張，多層立交橋廣泛應(yīng)用于城市綜合交通節(jié)點(diǎn)，由于城市既有建筑、地下管線等地形限制，城市匝道橋多采用小曲率半徑彎橋.然而，由于彎橋在外部荷載作用下具有彎扭耦合效應(yīng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)支反力往往表現(xiàn)為曲線外側(cè)支座受力大于曲線內(nèi)側(cè)反力的特點(diǎn)，因此，城市匝道橋不同的結(jié)構(gòu)約束方式將大大影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能.王克海、張盼盼、吳剛等[1]以石家莊市某匝道橋?yàn)槔?，研究了地震作用下，不同約束方式對(duì)匝道橋動(dòng)力性能的影響；許震、羅小燁、盧琪等[2]對(duì)考慮彎橋臺(tái)土及樁土效應(yīng)下整體式彎橋力學(xué)性能進(jìn)行了研究；吳文朋、彭巧威、龍士國等[3]以5座連續(xù)彎橋?yàn)槔?，擬定不同的支座布置形式，研究了支座布置對(duì)不等高墩曲線橋梁抗震性能的影響；江婧[4]以R=25mPC彎橋?yàn)槔?，研究了超小半徑預(yù)應(yīng)力混凝土彎橋力學(xué)性能；文獻(xiàn)[5-7]分別對(duì)彎橋車-橋耦合作用、地震作用以及設(shè)置水平約束體系作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)做了相關(guān)研究.然而，對(duì)于城市匝道橋結(jié)構(gòu)，不同約束方式下，上部結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有所差異，因此掌握不同約束方式下彎橋內(nèi)力、支反力、裂縫等指標(biāo)的規(guī)律至關(guān)重要，可以為城市匝道橋工程設(shè)計(jì)提供參考.

本文以一座小半徑曲線梁橋?yàn)槔x取了城市匝道橋設(shè)計(jì)過程中最為常見的兩種結(jié)構(gòu)約束方式，即固定支座+活動(dòng)支座與墩梁固結(jié)+活動(dòng)支座形式，建立了不同約束方式下結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了不同約束方式下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能特點(diǎn)，得出了相關(guān)結(jié)論.

1 工程概況

以長沙市某互通匝道橋(圖1)為例，該匝道橋跨徑布置為4×20m+4×20m+4×20m，橋梁總長240m.

上部結(jié)構(gòu)為等截面鋼筋混凝土箱梁，單箱雙室截面，懸臂長度為1.6m，橫斷面總寬10.0m，底寬5.0m，頂、底板厚度均為0.22m，翼緣板厚度為0.18m，邊腹板厚度由跨中0.4m漸變至支點(diǎn)位置0.6m，中腹板厚度由跨中0.55m漸變至支點(diǎn)位置0.6m，鋼筋混凝土箱梁梁高均為1.6m，本文以該匝道橋第二聯(lián)作為研究對(duì)象，第二聯(lián)橋梁平面曲線半徑R=60m.

為了研究城市匝道橋不同約束方式作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，分別設(shè)計(jì)固定支座+活動(dòng)支座與墩梁固結(jié)+活動(dòng)支座形式，定義約束方式A為P99墩曲線外側(cè)為固定支座，其余9個(gè)支座均為單向或雙向活動(dòng)支座，定義約束方式B為P99墩為固結(jié)墩，曲線外側(cè)為雙向活動(dòng)支座，曲線內(nèi)側(cè)為單向活動(dòng)支座.

2 有限元模型

采用MIDAS CIVIL2020建立不同約束方式下橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型(圖2)，本次約束均采用與橋梁實(shí)際狀況一致的模擬方式，約束方式A對(duì)應(yīng)Model-A，有限元模型共93個(gè)節(jié)點(diǎn)，82個(gè)單元，約束方式B對(duì)應(yīng)Model-B，有限元模型共107個(gè)節(jié)點(diǎn)，98個(gè)單元.本次有限元計(jì)算荷載部分均考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、整體升溫(+30℃)、整體降溫(-30℃)、梯度升溫及梯度降溫(梯度溫度參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015))、支座沉降(-5mm)，移動(dòng)荷載根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11-2011)第10.0.5條計(jì)算.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 約束方式對(duì)匝道橋曲線梁內(nèi)力的影響研究

為了直觀分析約束方式不同連續(xù)彎橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，分別計(jì)算了基本組合、汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力，結(jié)果見圖3.

彎橋在荷載作用下存在扭矩的特性，本文對(duì)不同約束方式時(shí)結(jié)構(gòu)扭矩進(jìn)行計(jì)算分析，由于荷載作用下扭矩最大值均發(fā)生在支座位置，僅對(duì)各支點(diǎn)扭矩進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1.

由圖3可知，對(duì)于城市匝道橋中常見的四跨連續(xù)梁，基本組合作用下，相較于固定支座+活動(dòng)支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結(jié)約束形式的匝道橋荷載作用下邊跨跨中及支點(diǎn)彎矩均有所增大，變化幅度在2%～3%，中跨跨中彎矩均有所減小，變化幅度在5.5%～6%，墩梁固結(jié)位置，支點(diǎn)彎矩明顯增大，變化幅度為19.5%.

由表1可知，不同約束方式荷載作用下，除墩梁固結(jié)位置外，其余支點(diǎn)位置扭矩均有所增大，變化幅度在0.8%～1.2%，墩梁固結(jié)位置，支點(diǎn)扭矩明顯減小，變化幅度為11.1%.

表1 基本組合作用下不同約束方式扭矩表(kN·m)

由圖3(b)可知，當(dāng)墩梁固結(jié)后，上部結(jié)構(gòu)傳遞至橋墩彎矩、扭矩較大，若橋墩高度較小，剛度較大，下部結(jié)構(gòu)受力較為不利.

因此城市匝道橋約束方式設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)采用中墩位置墩梁固結(jié)形式時(shí)，基本組合作用下，除墩梁固結(jié)位置處結(jié)構(gòu)彎矩、扭矩有所增大外，上部結(jié)構(gòu)其余位置受力變化較小.由于城市匝道橋往往縱坡較大并設(shè)置超高，結(jié)構(gòu)在溫度、混凝土收縮徐變作用下易出現(xiàn)爬移現(xiàn)象[8-11]，當(dāng)橋墩為柔性橋墩時(shí)，設(shè)置墩梁固結(jié)將大大提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力及抗爬移能力.

3.2 約束方式對(duì)匝道橋支座反力的影響研究

定義彎橋支座編號(hào)見圖4，分別計(jì)算彎橋恒載、活載、標(biāo)準(zhǔn)組合、基本組合作用下支座反力，不同荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)支反力對(duì)比見表2.

表2 不同約束方式各支座反力表

由表2可知，荷載作用下，彎橋梁端曲線外側(cè)支反力均大于曲線內(nèi)側(cè)支反力，相較于固定支座+活動(dòng)支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結(jié)約束形式的匝道橋荷載作用支反力均較小，但是變化幅度小，在設(shè)計(jì)過程中，除墩梁固結(jié)位置外，可以忽略約束方式對(duì)支反力的影響.

3.3 約束方式對(duì)匝道橋抗裂性能影響研究

鋼筋混凝土連續(xù)彎橋跨中最大裂縫均發(fā)生在箱梁底板，支點(diǎn)位置最大裂縫位于箱梁頂板，因此，本文以各跨跨中節(jié)點(diǎn)、墩頂節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，計(jì)算正常運(yùn)營狀態(tài)下上部結(jié)構(gòu)裂縫寬度，基于midas civil后處理RC設(shè)計(jì)功能，不同約束方式正常運(yùn)營狀態(tài)下，連續(xù)彎橋裂縫寬度見圖5.

本次計(jì)算采用相同的普通鋼筋布置方式，由圖5可知，正常使用極限狀態(tài)下，不同約束方式下上部結(jié)構(gòu)抗裂性能均滿足規(guī)范要求，較于固定支座+活動(dòng)支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結(jié)約束形式的匝道橋邊跨跨中底板裂縫有所增加，邊支點(diǎn)頂板裂縫寬度有所減小，但裂縫寬度變化幅度均在5%以內(nèi)，與墩梁固結(jié)位置相關(guān)的橋跨跨中底板裂縫均明顯減小，裂縫寬度變化幅度在11%～12%，中墩位置墩梁固結(jié)后，頂板裂縫寬度明顯增大，變化幅度為19.5%.因此，城市匝道橋采用墩梁固結(jié)后，應(yīng)加強(qiáng)墩梁固結(jié)橋墩頂板抗裂性能.

4 結(jié)論

(1)相較于固定支座+活動(dòng)支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結(jié)約束形式的匝道橋基本組合作用下，除墩梁固結(jié)支點(diǎn)彎矩明顯增大、扭矩明顯減小外，其余位置彎矩、扭矩變化較小.

(2)城市匝道橋設(shè)計(jì)過程中，相較于固定支座+活動(dòng)支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結(jié)約束形式時(shí)，其余支座支反力變化較小.

(3)中墩位置墩梁固結(jié)后，頂板裂縫寬度明顯增大，其余位置裂縫寬度變化較小，設(shè)計(jì)過程中可在墩梁固結(jié)位置上緣做局部加強(qiáng).