唐朝陽(yáng)

(福建省公路管理局，福建福州 350002)

隨著交通流量的加大，需要架設(shè)立體交通疏解交通堵塞，曲線橋梁不僅能夠滿足這類交通需要，且與周圍建筑能更加自然協(xié)調(diào)，符合廣大人民群眾審美，因而曲線梁橋廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路、城市立交橋等工程中[1]。所以，研究彎橋的受力性能也成為彎梁橋發(fā)展需要解決的問(wèn)題。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土彎梁橋的受力及性能分析。鮑志旺等[2]運(yùn)用有限元軟ANSYS，分析了獨(dú)柱墩預(yù)偏心設(shè)置對(duì)小半徑匝道彎橋支座豎向反力、梁體位移、扭矩的影響；曾永文等[3]人探討了不同曲率半徑和跨徑對(duì)匝道彎橋基本力學(xué)性能的影響；惠興志[4]研究了曲線半徑、箱梁截面尺寸、支座類型及布置方式對(duì)彎橋梁體偏移的影響；侯克鵬[5]對(duì)不同荷載作用下支座的支反力進(jìn)行分析，對(duì)比均勻溫度與梯度溫度單獨(dú)作用下對(duì)橫向爬移量的貢獻(xiàn)；朱劍鋒等[6]針對(duì)廈門(mén)BRT彎橋運(yùn)營(yíng)中，考慮各項(xiàng)結(jié)構(gòu)受力和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出受力性能分析；相宏偉[7]研究分析了連續(xù)獨(dú)柱墩彎橋的支座偏心位置對(duì)橋梁整體抗傾覆性能的貢獻(xiàn)；魏霞，曹猛等[8-9]人分別研究了現(xiàn)澆箱梁獨(dú)柱墩彎橋抗傾覆穩(wěn)定性并分析具體存在安全問(wèn)題的原因及解決措施和不同曲率半徑對(duì)小半徑匝道彎橋受力的影響以及對(duì)小半徑匝道彎橋抗傾覆性能的影響。然而，針對(duì)中支點(diǎn)為獨(dú)柱墩單支座的小半徑連續(xù)彎梁橋?qū)ζ溥M(jìn)行預(yù)偏心設(shè)置分別對(duì)自重荷載工況、移動(dòng)荷載工況以及綜合兩種工況下的組合荷載工況的受力性能分析卻鮮有報(bào)道。

本文依托某3×30m連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃肕idasCivil2015建立分析模型，分析了在該橋中支點(diǎn)為獨(dú)柱墩單支座的情況下，對(duì)中支點(diǎn)支座進(jìn)行一定的預(yù)偏心值，分別分析預(yù)偏心值對(duì)該橋梁在自重荷載工況、汽車荷載工況以及對(duì)移動(dòng)荷載和自重荷載的組合荷載工況下的內(nèi)力的影響規(guī)律。該結(jié)果可為城市預(yù)應(yīng)力混凝土匝道橋的設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

橋址場(chǎng)地位于福建省福州市閩侯縣南嶼鎮(zhèn)城市立交某段，全橋總體跨徑布置為3×30m，曲率半徑為80m，采用預(yù)制混凝土箱梁，混凝土為C50，等截面的公路連續(xù)梁橋的高度與跨度之比通常在1/25-1/15之間，本次設(shè)計(jì)梁高取值為1.8m，橋梁全寬為8.5m。跨中截面和支點(diǎn)截面分別如圖1和圖2所示。

圖1 跨中截面(單位：cm)

圖2 支點(diǎn)截面(單位：cm)

1.2 有限元模型

利用MidasCivil2015建立該3×30m、半徑為80m的小半徑彎橋的有限元模型(圖3)，主梁梁體用空間梁?jiǎn)卧M，采用“以直代曲”的方法將主梁等分為90個(gè)直線段，并考慮腹板變化處截面變化影響，建立曲線梁橋，這樣就將全橋劃分為98個(gè)單元，每個(gè)單元包含2個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮3個(gè)平移自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

圖3 有限元模型

本文所建模型邊界條件為：混凝土箱梁均用一般支承模擬支座受力，兩個(gè)邊墩采用雙支座支承，其中一邊支座約束DX、DY、DY，另一邊支座只約束DZ；兩個(gè)中柱墩中支點(diǎn)采用單支座支承，只約束DZ。通過(guò)彈性連接中的剛性連接來(lái)模擬箱梁頂部和支座節(jié)點(diǎn)的連接。移動(dòng)荷載考慮公路-I級(jí)荷載。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 自重荷載工況下

對(duì)中支點(diǎn)的支座進(jìn)行偏心設(shè)置，其在自重荷載下的支座反力、彎矩、扭矩分別如圖4～圖6。

圖4 各支座的支反力

圖5 主梁彎矩

圖6 各墩頂扭矩

由圖4可得，在自重荷載下隨著偏心距的增大，梁端內(nèi)側(cè)支座反力逐漸增大，外側(cè)支座反力逐步減小；當(dāng)偏心距為0.5m時(shí)，梁端內(nèi)側(cè)支座反力相對(duì)于較小值增大幅度約99 %，梁端外側(cè)支座反力相對(duì)于較小值減小的幅度約72 %，變化的幅度比較大；在偏心距為0.3m時(shí)內(nèi)外側(cè)支座的支座反力接近平衡。隨著偏心距的繼續(xù)增大，表現(xiàn)出外側(cè)支座反力小于內(nèi)側(cè)支座反力。而中間獨(dú)柱墩的支座反力在偏心距的變化下則沒(méi)有明顯變化。

由圖5可得，在自重荷載下隨著偏心距的增大，各個(gè)位置彎矩的變化幅度不大，跨中的彎矩略有增加，墩頂?shù)膹澗貏t略微減?。黄木噙_(dá)到0.5m時(shí)，相對(duì)于較小值，跨中彎矩增加了約4 %，墩頂彎矩減小了約8 %。

由圖6可得，在自重荷載下隨著偏心距的增大，梁端扭矩會(huì)逐步減小，而中支點(diǎn)扭矩會(huì)逐步增大，在偏心距為0.1m時(shí)，該工況下的梁端和中支點(diǎn)扭矩會(huì)相對(duì)平衡，而后隨著偏心距的增大，表現(xiàn)出梁端扭矩小于中支點(diǎn)扭矩。

2.2 移動(dòng)荷載工況下

在對(duì)中支點(diǎn)的支座進(jìn)行偏心設(shè)置，其在移動(dòng)荷載下的支座反力、彎矩、扭矩分別如圖7～圖9。

圖7 支座反力

由圖7可得，在移動(dòng)荷載下隨著偏心距的增大，梁端內(nèi)側(cè)支座反力逐漸增大，外側(cè)支座反力逐步減?。黄木酁?.5m時(shí)，其內(nèi)側(cè)支座反力相對(duì)于較小值增大了約10 %，外側(cè)支座反力相對(duì)于較小值減小了約7 %。而中支點(diǎn)的反力沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。

由圖8可得，在移動(dòng)荷載下，隨著偏心距的增大，跨中的彎矩略有增加，墩頂?shù)膹澗貢?huì)略微減小。偏心距達(dá)到0.5m時(shí)，跨中彎矩相對(duì)于較小值僅增加了約1 %，墩頂彎矩相對(duì)于較小值減小了約3 %。

由圖9可得，在移動(dòng)荷載下，隨著偏心距的增大，各支點(diǎn)墩頂處的扭矩均略有變小。相對(duì)于較小值，減小的幅度最大可達(dá)約12 %。

2.3 組合荷載工況下

在對(duì)中支點(diǎn)的支座進(jìn)行偏心設(shè)置，其在移動(dòng)荷載和自重荷載下的組合荷載作用下的支座反力、彎矩、扭矩分別如圖10～圖12。

圖10 支座反力

圖11 主梁彎矩

圖12 各墩頂扭矩

由圖10可得，在組合荷載工況下，隨著偏心距的增大，梁端內(nèi)側(cè)支座反力逐漸增大，外側(cè)支座反力逐步減小，而中支點(diǎn)的反力卻沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。在偏心距為0.4m時(shí)，梁端內(nèi)外側(cè)支座反力大致相等，而在偏心距大于0.3m時(shí)梁端內(nèi)側(cè)支座反力逐步大于外側(cè)支座反力。

由圖11可得，在組合荷載工況下，隨著偏心距的增大，各跨跨中的彎矩會(huì)增加，而墩頂?shù)膹澗貢?huì)減小，但彎矩的變化幅度相對(duì)不大。

由圖12可得，在組合荷載工況下，隨著偏心距的增大，梁端扭矩顯著減小，中支點(diǎn)扭矩顯著增大，到偏心距接近0.4m時(shí)兩者的扭矩基本相等，而后梁端扭矩則開(kāi)始小于中支點(diǎn)扭矩。

3 結(jié)論

本文針對(duì)橋跨布置為3×30m，半徑為80m的小半徑連續(xù)彎梁橋，采用MidasCivil2015建立分析模型，分別在自重荷載下、車輛荷載下以及組合荷載工況下對(duì)橋梁中墩支座設(shè)置預(yù)偏心對(duì)其受力性能的影響。得到了如下結(jié)論：

(1)自重荷載下：隨著偏心距的增大，對(duì)支座內(nèi)外側(cè)支反力以及扭矩的影響較大，對(duì)中支點(diǎn)支反力和彎矩影響較小。在本文的研究條件下，梁端外側(cè)支反力降幅可達(dá)到約42 %，而內(nèi)側(cè)支反力升幅可達(dá)約99 %。而梁端扭矩下降的幅度約173 %，中支點(diǎn)扭矩升幅達(dá)到249 %左右。

(2)移動(dòng)荷載下：隨著偏心距的增大，對(duì)支反力、彎矩、扭矩的影響均不大。

(3)在組合荷載工況下，隨著偏心距的增大，對(duì)內(nèi)外側(cè)支反力、扭矩的影響較大，而對(duì)彎矩影響則相對(duì)較小。在本文的研究條件下，梁端外側(cè)支反力降幅可達(dá)到約26 %，而內(nèi)側(cè)支反力升幅約53 %。而梁端扭矩下降的幅度約46 %，中支點(diǎn)扭矩升幅達(dá)到95 %左右。

(4)本文所設(shè)條件下，以組合荷載工況綜合考慮梁端內(nèi)外側(cè)支反力和扭矩分布為參考，建議預(yù)偏心值為0.4～0.5m。

總體上看，中墩向曲線外側(cè)設(shè)置預(yù)偏心對(duì)組合荷載工況下受力性能有明顯改善，今后設(shè)計(jì)師可根據(jù)具體工程參照本文具體分析，從而對(duì)所設(shè)計(jì)彎梁橋設(shè)置一個(gè)合理的預(yù)偏心值。