大跨剛構橋結構剛度對主梁下?lián)系挠绊懛治?/h1>
2021-05-04 10:48:30安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司安徽合肥230088
安徽建筑 2021年4期
朱 宇 （安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）
1 概況
連續(xù)剛構橋采用墩梁固結的結構形式，墩與梁形成一個整體共同受力，荷載按照一定的比例在墩梁之間進行分配，因此結構體系將導致不同的受力性能，同時也將影響結構的長期變形。具體來說，大跨度連續(xù)剛構橋梁跨中長期下?lián)吓c橋梁的結構形式和剛度存在一定的關系，跨徑越大恒載所占比例越大；橋墩越高結構柔度也越大，施工中越容易產生偏差；結構的剛度是決定結構受力分配的根本。因此跨徑、橋墩和剛度都會影響結構的內力分布，進而影響到跨中下?lián)狭俊?/p>
在橋梁施工以及成橋運營過程中，由于種種原因，橋梁結構的剛度會相對設計狀態(tài)有所降低。橋梁剛度折減從原因上來看，包括以下幾個原因：①在懸臂掛籃澆筑過程中，由于施工時的材料因素、養(yǎng)護因素等，不可避免地導致箱梁幾何特性上的誤差，使得橋梁成橋時的結構剛度就比設計情況要低；②在橋梁服役期間，橋梁使用環(huán)境相對比較惡劣，由于使用中環(huán)境因素等，橋梁結構出現(xiàn)一定的磨損甚至開裂，難免出現(xiàn)剛度折減的情況。這些都將導致剛構橋跨中下?lián)系陌l(fā)展和惡化。
2 研究過程
2.1 總體思路
為了綜合研究上述因素作用下連續(xù)剛構箱梁長期下?lián)系膯栴}，本文采用簡化的算法，通過調整混凝土彈性模量，來模擬箱梁剛度的變化，分別分析橋梁結構整體剛度折減和局部剛度折減對橋梁長期下?lián)系挠绊憽?/p>
2.2 彈性模量的影響
混凝土彈性模量的變化會直接影響連續(xù)剛構橋主梁和橋墩的剛度，從而影響到主梁的變形。以主跨180m 和主跨150m 剛構橋為例，分別考慮在混凝土彈性模量為35.5MPa （C55） 的60% 、80%、100%、120%、140%五種情況下，計算分析跨中長期下?lián)系淖兓闆r。
圖1 180m 剛構橋彈模變化與下?lián)详P系
圖2 150m 剛構橋彈模變化與下?lián)详P系
以上對比分析可知，彈性模量的變化對連續(xù)剛構橋的跨中下?lián)嫌绊懖⒉淮螅皇请S著成橋時間的推移，彈性模量的增大對橋梁跨中下?lián)犀F(xiàn)象的減輕效果會變好。彈性模量對跨中下?lián)系挠绊戁厔莶⒉粫S著跨徑的變化而變化。
2.3 結構整體剛度變化的影響
連續(xù)剛構橋主梁和橋墩的剛度的整體剛度變化直接影響到主梁的變形，從而對結構長期下?lián)袭a生影響。以主跨180m 和主跨150m 剛構橋為例，考慮在年平均相對濕度70%的情況下，橋梁整體剛度不折減、折減10%、20%、30%、40%時，五種情況下計算分析跨中長期下?lián)系淖兓闆r。
圖3 180m 剛構橋彈模變化與下?lián)详P系
對于180m 剛構橋，在成橋相同時間的情況下，整體剛度損失越大，下?lián)系牧烤驮酱?，成?0 年時，整體剛度折減40%的情況下和整體剛度不折減時相比，最大下?lián)狭吭黾恿?4.2%，最大上拱量邊跨的上翹增加了49.4%。隨著成橋年限的增長，同一剛度損失條件下，橋梁的下?lián)狭渴遣粩嘣黾拥?，但是增加速度呈減緩趨勢，符合長期下?lián)衔灰频淖兓厔荨?/p>
圖4 150m 剛構橋彈模變化與下?lián)详P系
對于150m 剛構橋，基本趨勢和180m 剛構橋類似。
在同樣的整體剛度折減以及成橋時間的情況下，橋梁中跨下?lián)狭侩S著跨徑增大而增大，而邊跨上拱值卻隨跨徑增大而減小。主要原因在于隨著跨徑的增大，大跨度連續(xù)剛構橋的自重效應更加明顯，橋梁整體（中跨和邊跨）均有下?lián)系内厔?，從而導致中跨跨中向下位移值增大而邊跨上拱值減小。
同時，隨著跨徑的增大，整體剛度損失對于變形增加的影響更為嚴重，出現(xiàn)同樣整體剛度損失時，跨徑大的橋梁變形增加越大，增加速度也越快。
通過以上對比分析，可知在不同的橋梁整體剛度折減條件下，橋梁整體剛度變化對于橋梁長期下?lián)嫌幸欢ǖ挠绊懀怯绊懛炔⒉皇呛艽?，整體剛度折減40%時，對于主跨150m 的連續(xù)剛構橋長期下?lián)弦簿驮黾?6%。而實際工程中幾乎不可能出現(xiàn)這么大的整體剛度折減。此外，對于大跨徑的剛構橋，要比跨徑較小的剛構橋更加關注整體剛度損失的問題，這在后期成橋后的橋梁管養(yǎng)工作中應該引起注意。
2.4 結構局部剛度變化的影響
橋梁結構在運營期間的剛度損失，一般不可能是橋梁整體剛度同時損失，在行車荷載、外界環(huán)境等因素的影響下，有可能某些敏感部位出現(xiàn)較為明顯的剛度損失，而其他部位剛度損失較小。根據實際情況，將主梁進行劃分，結構局部分別選取主跨跨中梁段、1/4 處梁段、墩頂梁段、邊跨支座附近梁段四種具有代表性的情況分別進行分析。
圖5 跨中梁段剛度折減與下?lián)详P系
隨著主跨跨中梁段剛度折減比例的增加，主跨最大下?lián)隙扔兴鶞p少，邊跨最大上拱度有所增加。也就是說，橋梁主跨跨中剛度折減對于橋梁跨中下?lián)嫌袦p緩的作用，對邊跨上拱有加劇的作用。
圖6 1/4 處梁段剛度折減與下?lián)详P系
1/4 處梁段剛度折減比例與最大下?lián)现?、最大上拱值之間呈非線性關系，但不是很明顯。隨著1/4 處梁段剛度折減比例的增加，最大上拱值增加變快。
圖7 墩頂梁段剛度折減與下?lián)详P系
墩頂梁段剛度折減對橋梁整體變形影響并不很大，對橋梁邊跨上拱的影響較大。邊跨上拱除了一部分是由于剛度折減本身造成的，還有一部分是由于中跨下?lián)显隽恳鸬倪吙珙~外上撓。
圖8 邊跨支座梁段剛度折減與下?lián)详P系
支座附近梁段剛度折減對橋梁整體變形影響較小，其中對橋梁邊跨上拱有較大影響。這是由于支座附近梁段剛度折減直接影響邊跨的變形，而對中跨變形的影響在傳遞過程中減弱。
3 結語
橋梁整體剛度下降將導致跨中下?lián)霞觿?，跨徑越大，這種加劇效應越明顯。而不同部位的梁段剛度折減對于橋梁的變形情況有不同的影響。當局部剛度折減發(fā)生在主跨跨中梁段、墩頂梁段以及支座附近梁段時，對于橋梁結構長期下?lián)系挠绊懸毡樾∮谡w剛度損失，以及1/4 處梁段剛度損失造成的影響。這是由于墩頂梁段和支座附近梁段區(qū)域以自重負彎矩效應控制，剛度的減小對主跨跨中的下?lián)系挠绊懗潭纫h小于自重正彎矩控制區(qū)域。
當剛度折減僅僅發(fā)生在1/4 處梁段上時，主跨跨中下?lián)现翟鲩L比例和增長值都是最大的，甚至比橋梁結構整體剛度折減時的下?lián)线€要嚴重。在橋梁施工中，應該著重注意橋梁1/4 處梁段的施工質量，保證其剛度滿足要求；在橋梁的成橋運營期間，應該對1/4 處梁段進行重點檢查，避免出現(xiàn)嚴重的剛度損失。
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朱 宇 （安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）
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在橋梁施工以及成橋運營過程中，由于種種原因，橋梁結構的剛度會相對設計狀態(tài)有所降低。橋梁剛度折減從原因上來看，包括以下幾個原因：①在懸臂掛籃澆筑過程中，由于施工時的材料因素、養(yǎng)護因素等，不可避免地導致箱梁幾何特性上的誤差，使得橋梁成橋時的結構剛度就比設計情況要低；②在橋梁服役期間，橋梁使用環(huán)境相對比較惡劣，由于使用中環(huán)境因素等，橋梁結構出現(xiàn)一定的磨損甚至開裂，難免出現(xiàn)剛度折減的情況。這些都將導致剛構橋跨中下?lián)系陌l(fā)展和惡化。
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為了綜合研究上述因素作用下連續(xù)剛構箱梁長期下?lián)系膯栴}，本文采用簡化的算法，通過調整混凝土彈性模量，來模擬箱梁剛度的變化，分別分析橋梁結構整體剛度折減和局部剛度折減對橋梁長期下?lián)系挠绊憽?/p>
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混凝土彈性模量的變化會直接影響連續(xù)剛構橋主梁和橋墩的剛度，從而影響到主梁的變形。以主跨180m 和主跨150m 剛構橋為例，分別考慮在混凝土彈性模量為35.5MPa （C55） 的60% 、80%、100%、120%、140%五種情況下，計算分析跨中長期下?lián)系淖兓闆r。
圖1 180m 剛構橋彈模變化與下?lián)详P系
圖2 150m 剛構橋彈模變化與下?lián)详P系
以上對比分析可知，彈性模量的變化對連續(xù)剛構橋的跨中下?lián)嫌绊懖⒉淮螅皇请S著成橋時間的推移，彈性模量的增大對橋梁跨中下?lián)犀F(xiàn)象的減輕效果會變好。彈性模量對跨中下?lián)系挠绊戁厔莶⒉粫S著跨徑的變化而變化。
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連續(xù)剛構橋主梁和橋墩的剛度的整體剛度變化直接影響到主梁的變形，從而對結構長期下?lián)袭a生影響。以主跨180m 和主跨150m 剛構橋為例，考慮在年平均相對濕度70%的情況下，橋梁整體剛度不折減、折減10%、20%、30%、40%時，五種情況下計算分析跨中長期下?lián)系淖兓闆r。
圖3 180m 剛構橋彈模變化與下?lián)详P系
對于180m 剛構橋，在成橋相同時間的情況下，整體剛度損失越大，下?lián)系牧烤驮酱?，成?0 年時，整體剛度折減40%的情況下和整體剛度不折減時相比，最大下?lián)狭吭黾恿?4.2%，最大上拱量邊跨的上翹增加了49.4%。隨著成橋年限的增長，同一剛度損失條件下，橋梁的下?lián)狭渴遣粩嘣黾拥?，但是增加速度呈減緩趨勢，符合長期下?lián)衔灰频淖兓厔荨?/p>
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同時，隨著跨徑的增大，整體剛度損失對于變形增加的影響更為嚴重，出現(xiàn)同樣整體剛度損失時，跨徑大的橋梁變形增加越大，增加速度也越快。
通過以上對比分析，可知在不同的橋梁整體剛度折減條件下，橋梁整體剛度變化對于橋梁長期下?lián)嫌幸欢ǖ挠绊懀怯绊懛炔⒉皇呛艽?，整體剛度折減40%時，對于主跨150m 的連續(xù)剛構橋長期下?lián)弦簿驮黾?6%。而實際工程中幾乎不可能出現(xiàn)這么大的整體剛度折減。此外，對于大跨徑的剛構橋，要比跨徑較小的剛構橋更加關注整體剛度損失的問題，這在后期成橋后的橋梁管養(yǎng)工作中應該引起注意。
2.4 結構局部剛度變化的影響
橋梁結構在運營期間的剛度損失，一般不可能是橋梁整體剛度同時損失，在行車荷載、外界環(huán)境等因素的影響下，有可能某些敏感部位出現(xiàn)較為明顯的剛度損失，而其他部位剛度損失較小。根據實際情況，將主梁進行劃分，結構局部分別選取主跨跨中梁段、1/4 處梁段、墩頂梁段、邊跨支座附近梁段四種具有代表性的情況分別進行分析。
圖5 跨中梁段剛度折減與下?lián)详P系
隨著主跨跨中梁段剛度折減比例的增加，主跨最大下?lián)隙扔兴鶞p少，邊跨最大上拱度有所增加。也就是說，橋梁主跨跨中剛度折減對于橋梁跨中下?lián)嫌袦p緩的作用，對邊跨上拱有加劇的作用。
圖6 1/4 處梁段剛度折減與下?lián)详P系
1/4 處梁段剛度折減比例與最大下?lián)现?、最大上拱值之間呈非線性關系，但不是很明顯。隨著1/4 處梁段剛度折減比例的增加，最大上拱值增加變快。
圖7 墩頂梁段剛度折減與下?lián)详P系
墩頂梁段剛度折減對橋梁整體變形影響并不很大，對橋梁邊跨上拱的影響較大。邊跨上拱除了一部分是由于剛度折減本身造成的，還有一部分是由于中跨下?lián)显隽恳鸬倪吙珙~外上撓。
圖8 邊跨支座梁段剛度折減與下?lián)详P系
支座附近梁段剛度折減對橋梁整體變形影響較小，其中對橋梁邊跨上拱有較大影響。這是由于支座附近梁段剛度折減直接影響邊跨的變形，而對中跨變形的影響在傳遞過程中減弱。
3 結語
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當剛度折減僅僅發(fā)生在1/4 處梁段上時，主跨跨中下?lián)现翟鲩L比例和增長值都是最大的，甚至比橋梁結構整體剛度折減時的下?lián)线€要嚴重。在橋梁施工中，應該著重注意橋梁1/4 處梁段的施工質量，保證其剛度滿足要求；在橋梁的成橋運營期間，應該對1/4 處梁段進行重點檢查，避免出現(xiàn)嚴重的剛度損失。
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