孫殿國
(南通市市政工程設計院有限責任公司,江蘇 南通 226000)
由于預應力混凝土曲線箱梁具有抗扭剛度大,同時能較好地適應各種地形條件且線條平順等優點,因此曲線箱梁橋在公路工程及城市道路立交中的應用越來越廣泛,特別是在互通式立交橋的匝道設計中的應用更為普遍。然而曲線梁橋的受力情況與結構的聯長、跨徑布置、支座的布置方式、配束方式、曲率半徑等因素有著密切的關系,結構是否合理直接影響結構的受力,甚至會出現嚴重的安全問題[1-2]。因此,對曲線梁橋受力性能進行分析研究顯得非常重要,其可為工程設計提供理論依據。
曲線梁橋梁因為梁軸線呈曲線形式,由于曲率的存在使得曲線梁橋的受力特性尤為復雜,梁體內同時受彎矩、剪力、扭矩的作用,因此相對于直線橋其扭矩非常大,而且還伴有翹曲。
梁截面在發生豎向彎曲時,由于曲率半徑的影響,必然會產生扭轉,而這種使梁扭轉的作用又將導致梁的撓曲變形,這就形成了“彎扭耦合”作用。因此,梁的變形也就是彎曲和扭轉兩者的疊加,其變形值也要比一般的直線正交橋偏大。同時,彎橋外側腹板的撓度會大于內側腹板的撓度,而且曲率半徑越小影響會越大[3-6]。
由于扭轉力矩的作用,在彎梁橋中通常會出現“外梁超載,內梁卸載”的現象,內外梁應力產生差異,這種現象在小半徑的寬橋中表現得特別明顯。曲線梁橋的橫梁是防止扭轉,保持全橋穩定的重要構件,因而與一般的直線橋相比,其剛度要較大。曲線梁橋的支反力與直線橋相比,有外側增大,內側減小的趨勢,并有可能產生負反力,容易發生傾覆風險。
梁格法作為有效、使用簡便的空間分析方法在工程實踐中已得到較多應用。梁格法是將上部箱梁結構用等效的梁格來模擬,鋼筋混凝土橋梁一般按縱向、橫向雙向配置鋼筋,而且混凝土泊松比影響較小,用梁格法計算出的縱、橫向彎矩滿足結構設計精度,同時如果梁格網格設置足夠密時,計算出的翹曲效應也能夠等效反映結構實際情況[1-3]。梁格法在結構計算中已得到廣泛應用,如實體板結構、異型板結構、空心板結構、單多室箱梁結構等。
此次研究利用橋有限元軟件采用梁格法對一聯(32.5m+40m+32.5m)連續曲線箱梁進行了空間分析計算,梁格法連續曲線箱梁空間分析計算有限元劃分見圖1。該箱梁為單箱單室,斜腹板,頂板寬度9m,高度在1.8~2.4m范圍變化。支座間距2.3m,橋墩徑向布置。取不同半徑形式(R=600m、R=400m、R=200m、R=100m、R=60m)進行計算分析對比梁的受力性能。
分別對外側端支座、內測端支座、外側中支座、內測中支座的支座反力進行了對比分析。具體數據見表1~表4。
從表1~表4的數據可以看出:(1)自重作用下,曲線梁梁端外側支座反力較直線橋大,且隨著半徑減小而增大。中墩處支座反力隨半徑的不同有所變化,但變化幅度較梁端支座小。(2)預應力對支反力的影響特別大,預應力作用下的內側支反力與外側支反力相比,差距很大,這也是導致內側支座脫空的重要原因之一,也導致了梁體側傾趨勢的產生[4-7]。
由于曲線梁存在彎扭耦合的作用,其梁體變形為彎曲和扭轉的相互作用而產生的,因此變形值要比一般直線橋要大。并且由于彎梁橋外側腹板的撓度大于內側腹板的撓度,曲率半徑越小彎扭耦合作用越明顯橋梁變形越大,具體見表5。
圖1 梁格法連續曲線箱梁空間分析計算有限元劃分(單位:m)
曲線梁橋的外邊緣彎曲應力一般要大于內邊緣的彎曲應力,內梁和外梁受力不均。這是因梁體扭矩的存在,而使外梁超載而內梁卸載,并且當活載偏載時,梁內側支座可能會產生負反力,這種情況下如果支座為非受拉支座,就會產生梁體與支座脫離的現象,對橋梁的穩定性產生了嚴重的影響。箱體如果是箱梁,就會使內外腹板受力不均,具體見表6。
表1 支座反力結果對比(外側端支座反力)單位:kN
表2 支座反力結果對比(內側端支座反力)單位:kN
表3 支座反力結果對比(外側中支座反力)單位:kN
表4 支座反力結果對比(內側中支座反力)單位:kN
表5 跨中變形對比表 單位:mm
表6 應力結果對比 單位:MPa
(1)曲線梁橋的曲率半徑是影響彎梁橋受力性能的重要因素之一。在曲線梁橋的設計中,曲率半徑的選擇往往是由橋位處地形情況確定的。設計曲線梁橋選線時,應盡量采用曲率半徑較大的橋梁線形,出于對工程地質環境的考慮,曲線梁橋的曲率半徑不能取得太大,可以采用合理選取橋梁的聯長,這樣就可以使曲線梁橋的力學性能盡量接近直線橋。
(2)連續曲線橋中,預應力效應對于支座反力的分配有較大的影響。配束時可以考慮不對稱配束,綜合考慮梁體應力和支座反力。
(3)端支座應具備抗扭能力,避免運營過程中出現內側支座脫空,端部向外側偏移,而內側則向上翹,進而帶來破壞伸縮縫裝置的風險。