不同下部結(jié)構(gòu)對(duì)曲線橋梁橫向爬移的影響研究

郭秋雨

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，為滿足一些特定的交通運(yùn)輸規(guī)劃功能或線形需求，曲線橋梁成為首選，且日漸作為交通路線上重要的組成部分。曲線橋梁能夠很好地適應(yīng)地形、地物的特定限制，并且由于其結(jié)構(gòu)線條平順、流暢，在地區(qū)美學(xué)和文化等方面能給人帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的享受[1-2]。近些年來(lái)，我國(guó)關(guān)于曲線橋梁的大范圍修建，說(shuō)明了我國(guó)曲線橋梁在研究、設(shè)計(jì)和施工等方面均達(dá)到了一定高度。

曲線梁橋由于具備彎扭耦合、梁內(nèi)側(cè)和梁外側(cè)受力不均勻等復(fù)雜受力特征，其支座反力有外側(cè)大、內(nèi)側(cè)小的傾向，在內(nèi)梁中有產(chǎn)生拉力的可能，其受力特點(diǎn)與直線橋有很大區(qū)別[3-4]。而初期設(shè)計(jì)者所采用的設(shè)計(jì)計(jì)算理論并沒(méi)有考慮這些受力特性，一般都選用同等跨徑的直線梁橋進(jìn)行近似計(jì)算，并根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)予以修正，如果在設(shè)計(jì)時(shí)候忽略這些關(guān)鍵因素不采取相應(yīng)措施，就會(huì)導(dǎo)致曲線梁橋出現(xiàn)爬移問(wèn)題[5]。焦馳宇等[6]采用Midas civil軟件以某城市曲線梁橋?yàn)楸尘?，?duì)其受力特點(diǎn)及變形特征進(jìn)行分析，對(duì)橋梁出現(xiàn)的爬移病害進(jìn)行分析評(píng)估。研究得出，混凝土收縮徐變、車輛荷載，溫度等作用均會(huì)使曲線橋產(chǎn)生爬移現(xiàn)象，其中離心力是引起曲線橋爬移的主要原因。孫繼剛[7]對(duì)吉林省某高速公路S型曲線梁橋用Midas Civil分析不同線形和支承形式下曲線梁橋的平面變形影響因素。研究得出，均勻溫度作用、梯度溫度作用都會(huì)對(duì)曲線梁橋的徑向位移產(chǎn)生影響，且曲率半徑越小，影響越大。

國(guó)內(nèi)外對(duì)曲線橋梁橫向爬移的研究主要集中于自身荷載作用和外界荷載作用，而下部結(jié)構(gòu)的布置形式對(duì)曲線橋梁橫向爬移影響研究相對(duì)較少。本文擬通過(guò)研究不同下部結(jié)構(gòu)形式對(duì)曲線橋梁橫向爬移和內(nèi)力增量的影響，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，得出對(duì)橫向爬移問(wèn)題最為友好的下部結(jié)構(gòu)形式。

1 曲線橋梁有限元模型

1.1 模型概況

利用有限元模擬分析軟件Midas Civil建立模型，以邊界條件的變化模擬不同下部結(jié)構(gòu)型式。由于曲率半徑較大的曲線梁橋在各種因素的作用下橫向爬移不夠明顯[8]，本文主要對(duì)較小曲率半徑曲線橋梁進(jìn)行建模。通過(guò)有限元軟件Midas Civil，建立曲率半徑為75 m 的連續(xù)單箱單室箱梁彎橋模型，全橋設(shè)置4跨，每跨20 m，從左到右墩臺(tái)編號(hào)分別為0號(hào)橋臺(tái)、1號(hào)橋墩、2號(hào)橋墩、3號(hào)橋墩、4號(hào)橋臺(tái)。建立模型的時(shí)候選用梁?jiǎn)卧Ｐ?，將全橋分?0個(gè)梁?jiǎn)卧?，具體情況如圖1所示。

圖1 箱梁橫截面(單位：mm)

1.2 下部結(jié)構(gòu)布置

主要考慮自重、系統(tǒng)升溫、梯度升溫、離心力、車輛荷載、支座沉降這6種荷載工況對(duì)曲線橋梁模型的影響，并依據(jù)交通部頒布的相關(guān)規(guī)范[9]和橋梁工程相關(guān)著作[10]來(lái)進(jìn)行取值。初擬定彎橋模型下部結(jié)構(gòu)有3種形式，具體模型如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 自重作用對(duì)曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結(jié)構(gòu)的曲線橋梁各節(jié)點(diǎn)在自重作用下橫向位移變化情況如圖2所示，最大內(nèi)力如表2所示。從圖2可以看出，彎橋下部結(jié)構(gòu)采用單柱墩時(shí)，自重作用下梁體整體橫向爬移最大；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩和單/雙柱墩交替布置時(shí)，橫向爬移相比布置單柱墩時(shí)有所減小，并且2種布置情況下梁體整體橫向爬移相差不大。從表2中看出，3種布置情況下梁體豎向剪力、平彎彎矩相差不大，變化情況不明顯；相比于單柱墩，采用單/雙柱墩交替布置時(shí)，彎橋扭矩降低了44%，豎向彎矩降低了20%。

圖2 自重作用下的橫向位移

表2 自重作用下的最大內(nèi)力絕對(duì)值

2.2 支座沉降對(duì)曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結(jié)構(gòu)的曲線橋梁各節(jié)點(diǎn)在支座沉降作用下橫向位移變化情況如圖3所示，最大內(nèi)力如表3所示。從圖3可以看出，彎橋下部結(jié)構(gòu)采用單柱墩時(shí)，在支座沉降作用下梁體整體橫向爬移最大；下部結(jié)構(gòu)采用雙/單雙柱墩交替布置時(shí)，橫向爬移明顯減小，并且2種布置情況下梁體整體橫向爬移相差不大。從表3中看出，相比于單柱墩，下部結(jié)構(gòu)采用單/雙柱墩交替布置時(shí)，梁體扭矩降低了35%，平彎彎矩降低了33%。

圖3 支座沉降作用下的橫向位移

表3 支座沉降作用下的最大內(nèi)力絕對(duì)值

2.3 溫度作用對(duì)曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結(jié)構(gòu)的曲線橋梁各節(jié)點(diǎn)在溫度作用下橫向位移變化情況如圖4所示，最大內(nèi)力如表4所示。從圖4中看出，彎橋下部結(jié)構(gòu)采用單柱墩布置時(shí)，在溫度作用下梁體整體橫向爬移最大，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩或單/雙柱墩交替布置時(shí)，橫向爬移明顯減小，且單/雙墩交替布置的梁體整體橫向位移變化較穩(wěn)定，雙柱墩布置的梁體橫向偏移量關(guān)于中間墩對(duì)稱變化。從表4中可以看出，在系統(tǒng)溫升作用下，下部結(jié)構(gòu)采用單/雙柱墩交替布置時(shí)，梁體豎向剪力、平彎彎矩、豎向彎矩都有所增大，扭矩有所減?。欢谔荻葴厣饔孟?，下部結(jié)構(gòu)采用單/雙交替或雙柱墩時(shí)，豎向剪力、平彎彎矩、扭矩、豎向彎矩內(nèi)力值均有所減小；相比于單柱墩，采用雙柱墩布置時(shí)，扭矩甚至降低了50%。

圖4 溫度作用下的橫向位移

表4 溫度作用下的最大內(nèi)力絕對(duì)值

2.4 離心力作用對(duì)曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結(jié)構(gòu)的曲線橋梁各節(jié)點(diǎn)在離心力作用下橫向位移變化情況如圖5所示，最大內(nèi)力如表5所示。從圖5中看出，彎橋下部結(jié)構(gòu)采用單柱墩時(shí)，在離心力作用下梁體整體橫向爬移最大；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩或單/雙柱墩交替布置時(shí)，橫向爬移相比單柱墩明顯減小。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩布置時(shí)，整體橫向位移變化較穩(wěn)定；采用單/雙柱墩交替布置時(shí)，梁體橫向位移關(guān)于中間墩呈對(duì)稱變化。從表5中看出，下部結(jié)構(gòu)采用單/雙柱墩交替或全橋采用雙柱墩布置時(shí)，豎向剪力、平彎彎矩、扭矩、豎向彎矩內(nèi)力值都有所減小。相比于單柱墩，采用單/雙交替布置時(shí)，豎向剪力和扭矩均降低了51%，平彎彎矩降低了59%，豎向彎矩降低了22%。

圖5 離心力作用下的橫向位移

表5 離心力作用下的最大內(nèi)力絕對(duì)值

2.5 車輛荷載對(duì)曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結(jié)構(gòu)的曲線橋梁各節(jié)點(diǎn)在車輛荷載作用下橫向位移變化情況如圖6所示，最大內(nèi)力如表6所示。從圖6中看出，彎橋下部結(jié)構(gòu)采用單柱墩布置時(shí)，梁體整體橫向爬移最大；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩或單/雙柱墩交替布置時(shí)，梁體橫向爬移明顯減小。從表6中看出，下部結(jié)構(gòu)采用單/雙柱墩交替布置時(shí)，豎向剪力、平彎彎矩、扭矩、豎向彎矩內(nèi)力值均有所減小。

圖6 車輛荷載作用下的橫向位移

表6 車輛荷載作用下的最大內(nèi)力絕對(duì)值

3 結(jié)論

本文采用有限元軟件分析了曲線梁橋在不同下部結(jié)構(gòu)下(單柱墩、雙柱墩以及單/雙柱墩交替)和不同作用下(自重、溫度、離心力、車輛荷載、支座沉降)的橫向偏移和內(nèi)力變化情況，得出結(jié)論：

(1)曲線橋梁下部結(jié)構(gòu)采用單柱墩布置時(shí)，在自重、系統(tǒng)升溫、梯度升溫、車輛荷載、離心力、支座沉降作用下梁體各節(jié)點(diǎn)橫向位移最大。

(2)曲線橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩支承時(shí)，在各個(gè)荷載因素作用下曲線梁橋整體橫向位移最小。

(3)曲線橋梁下部結(jié)構(gòu)采用單/雙柱墩交替布置時(shí)，在各個(gè)荷載因素作用下梁體整體橫向位移與全橋采用雙柱墩布置時(shí)相差不大。

(4)下部結(jié)構(gòu)采用單/雙柱墩交替布置時(shí)，在支座沉降作用下橫向爬移最大。

綜上所述：綜合考慮橫向爬移、內(nèi)力增量及經(jīng)濟(jì)效益等方面，建議在實(shí)際工程中采用單/雙柱墩交替布置的下部結(jié)構(gòu)形式，以防止偏移的發(fā)生，另外在此類形式運(yùn)用過(guò)程中應(yīng)注意支座沉降問(wèn)題的發(fā)生和處理。