肖 偉， 王思偉

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

小半徑曲線梁橋因結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、施工操作性好及外觀優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，近年來逐漸在我國(guó)城市橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但在早期竣工的曲線橋工程中，出現(xiàn)過由支座脫空引起的橋面?zhèn)确暗顾戎卮笫鹿?，?yán)重影響了橋梁的安全使用，針對(duì)該類型橋梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究具有重要意義[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于曲線梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開了大量研究，如蔣超[4]針對(duì)城市大型立交連續(xù)箱梁橋的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行分析，并且根據(jù)不同方面的影響因素提出了有效的施工核心技術(shù)。何雄君等[5]利用Midas建立武漢市某立交匝道橋有限元模型并進(jìn)行分析計(jì)算，證明了曲線半徑的取值、車輛荷載的交通管控及曲線橋的支座布置形式等均對(duì)大跨度小半徑曲線梁橋的抗傾覆穩(wěn)定有較大影響。史方華等[6]提出一種新型彎橋支座布置方案及支座形式，通過建模分析證明了此布置方案可用于實(shí)現(xiàn)箱梁傾覆變形的分類控制，為曲線梁橋提升抗爬移及提升傾覆承載力提供科學(xué)經(jīng)濟(jì)的解決方案。辛法[7]依托長(zhǎng)治至臨汾高速公路項(xiàng)目中一處實(shí)體工程進(jìn)行了獨(dú)柱墩曲線梁橋支承情況分析，發(fā)現(xiàn)采用端橫梁加寬拉大邊支點(diǎn)間距、中支點(diǎn)向曲線外側(cè)預(yù)偏的工程措施可明顯改善結(jié)構(gòu)受力。上述研究在比較曲線橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，大多是針對(duì)同類型箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，而關(guān)于不同箱梁結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)研究還有待進(jìn)一步完善。基于此，本文針對(duì)某城市立交匝道橋原設(shè)計(jì)方案，提出了一種更具優(yōu)勢(shì)的箱梁結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)比分析了兩種箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的變形機(jī)理及受力特點(diǎn)，其結(jié)論可為類似小半徑曲線梁橋的設(shè)計(jì)研究提供一定參考。

1 工程概括

某城市立交匝道橋平面線形位于R=60 m的圓曲線上，縱坡3.2%，上部結(jié)構(gòu)采用鋼 — 混凝土疊合箱梁，截面形式為單箱雙室連續(xù)箱梁，跨徑布置為20 m+2×30 m+20 m，填筑采用C50混凝土，箱梁頂板寬9.25 m，底板寬5.8 m，跨中和支點(diǎn)梁高均為2.0 m，梁端橫梁寬為1.5 m，中跨橫梁寬2.0 m，跨中位置布置一道寬40 cm的橫隔板，每個(gè)腹板布置4根預(yù)應(yīng)力鋼束，采用φ15.2低松弛高強(qiáng)度鋼絞線。橋面設(shè)計(jì)寬度8.75 m，單向兩車道，最高時(shí)速40 km/h，荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙薄壁空心墩，填筑采用C40混凝土，每墩布置3道橫系梁，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，直徑為50 cm，呈梅花形布置。上、下部結(jié)構(gòu)連接支座采用盆式橡膠支座，間距4.5 m。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁設(shè)計(jì)立面布置圖(單位： m)

2 箱梁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)及建立模型

為選擇更為理想的箱梁結(jié)構(gòu)形式，提高曲線梁橋的安全穩(wěn)定性，采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱梁形式與原橋設(shè)計(jì)的箱梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行曲線梁橋受力對(duì)比分析。通過運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立原鋼 — 混凝土連續(xù)曲線梁橋數(shù)值模型，其中上部結(jié)構(gòu)主梁及下部結(jié)構(gòu)橋墩和樁基均采用梁?jiǎn)卧M，計(jì)算模型中共包含682個(gè)單元和733個(gè)節(jié)點(diǎn)。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型示意圖

建模時(shí)保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變，僅改變箱梁結(jié)構(gòu)形式，以確保計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性。計(jì)算過程中采用恢復(fù)力模型來模擬活動(dòng)支座，對(duì)固定支座進(jìn)行現(xiàn)行約束處理，對(duì)樁基進(jìn)行非線性彈簧約束處理，墩梁連接采用固結(jié)形式。計(jì)算參數(shù)：C50混凝土容重取26 kN/m3，彈性模量取3.5×104MPa，泊松比取0.25；C40混凝土容重取24 kN/m3，彈性模量取3.25×104MPa,泊松比取0.25；φ15.2鋼絞線容重取78 kN/m3，彈性模量取19.5×104MPa，泊松比取0.3。計(jì)算荷載主要考慮恒載+活載作用，設(shè)計(jì)汽車荷載為城市-A級(jí)，人群荷載為7.8 kN/m2。

3 成橋階段受力對(duì)比分析

運(yùn)用軟件分別建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和鋼 — 混凝土疊合箱梁曲線梁橋計(jì)算模型，并針對(duì)橋梁兩種結(jié)構(gòu)形式成橋階段的豎向撓度、支座反力、結(jié)構(gòu)扭矩及剪力變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 撓度對(duì)比分析

分別計(jì)算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋的主梁中跨各關(guān)鍵截面撓度值，并針對(duì)其最大豎向撓度值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 2種結(jié)構(gòu)形式最大撓度變化曲線

根據(jù)圖3可知，不同箱梁結(jié)構(gòu)形式的曲線梁橋主梁各截面最大豎向撓度變化趨勢(shì)存在較大差異，其中采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橋梁各截面豎向撓度整體變化相對(duì)較小，而采用鋼 — 混箱梁的橋梁各截面豎向撓度變化相對(duì)較大。采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和鋼 — 混箱梁的曲線梁橋跨中截面的豎向撓度相差較小，最大值分別為-5.26 mm和-7.78 mm，相差僅-2.52 mm，而2種箱梁形式橋梁邊跨截面的豎向撓度值相差較大，其中采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橋梁邊跨截面最大豎向撓度分別為-6.76 mm和-6.34 mm，采用鋼 — 混箱梁的橋梁邊跨截面最大豎向撓度分別為-39.26 mm和-39.47 mm，二者差值達(dá)到了-32.5 mm和-33.13 mm，相對(duì)于跨中截面的最大豎向撓度差值更大，由此說明2種箱梁形式對(duì)于曲線梁橋跨中撓度的影響基本一致，但鋼 — 混箱梁對(duì)于橋梁邊跨撓度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。

3.2 支座反力對(duì)比分析

分別計(jì)算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋3#～4#墩的支座反力值，并針橋梁曲線內(nèi)、外側(cè)最大支座反力進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 2種結(jié)構(gòu)形式支座反力變化曲線

根據(jù)圖4可知，不同箱梁形式的曲線梁橋各墩支座反力基本呈對(duì)稱分布，且邊墩內(nèi)外側(cè)的支座反力均小于中墩內(nèi)外側(cè)的支座反力。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的各墩曲線外側(cè)支座反力均要小于內(nèi)側(cè)支座反力，采用鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的各墩曲線外側(cè)支座反力均要大于內(nèi)側(cè)支座反力，2種箱梁結(jié)構(gòu)的橋墩支座反力大小分布正好相反。采用鋼 — 混箱梁的橋梁邊、中墩最小支座反力分別為446 kN和1 441 kN，而采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橋梁邊、中墩最小支座反力分別為749 kN和2 459 kN，相對(duì)于鋼 — 混結(jié)構(gòu)橋梁支座反力儲(chǔ)備更為充足。其中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼 — 混結(jié)構(gòu)橋梁的邊墩內(nèi)、外側(cè)支座反力最大差值分別為1 505 kN和351 kN，中墩內(nèi)、外側(cè)最大差值分別為2 097 kN和3 222 kN，考慮到中墩作為曲線梁橋的主要承重結(jié)構(gòu)，其曲線內(nèi)、外支座反力差值過大極易出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋梁發(fā)生傾覆。綜合支座反力儲(chǔ)備情況和橋梁穩(wěn)定性來看，該曲線梁橋箱梁選擇預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)。

3.3 扭矩對(duì)比分析

分別計(jì)算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋3#～4#墩的扭矩值，并針橋梁邊墩及中墩的最大扭矩值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 2種結(jié)構(gòu)形式最大扭矩變化曲線

根據(jù)圖5可知，2種箱梁結(jié)構(gòu)橋梁各墩的最大扭矩值分布形式存在較大差異，其中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊墩的最大扭矩值要大于中墩最大扭矩值，邊、中墩最大扭矩值分別為3 529 kN·m和2 159 kN·m，整體相差約38.8%，而鋼-混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊墩扭矩值要遠(yuǎn)小于中墩，邊、中墩最大扭矩值分別為730 kN·m和3 085 kN·m，整體相差達(dá)到76.3%。鋼-混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大扭矩差值相對(duì)較大，約為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)邊、中墩扭矩最大差值的1.9倍，曲線梁橋邊、墩最大扭矩差值過大不利于扭力在全橋范圍的合理分布，因此，該橋選擇預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)形式可以使曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力更為合理。

3.4 結(jié)構(gòu)剪力對(duì)比分析

分別計(jì)算2種箱梁結(jié)構(gòu)形式曲線梁橋3#～4#墩的剪力值，并針橋梁邊墩及中墩的最大剪力值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種結(jié)構(gòu)形式最大剪力變化曲線

根據(jù)圖6可知，采用不同箱梁結(jié)構(gòu)橋梁各墩所產(chǎn)生的剪力值應(yīng)力不同，其中曲線橋4#和6#墩的最大剪力值相差不大，但3#、5#及7#墩的最大剪力值相差較為明顯，說明箱梁結(jié)構(gòu)形式對(duì)橋梁剪力值存在較大影響。2種箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊墩的最大剪力值均要小于中墩的最大剪應(yīng)力，其中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊、中墩最大剪力值分別為2 839 kN和3 440 kN，整體相差約17.4%，而鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大剪力值分別為2 169 kN和3 548 kN，整體相差達(dá)到38.7%，相對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大剪力差值更大，相差約2.2倍。由此可知，該橋選擇預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)可以使曲線梁橋剪力分布更為均勻，結(jié)構(gòu)受力更為合理，相對(duì)于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

1) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的最大豎向撓度為-7.78 mm，而鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的最大豎向撓度達(dá)到了-39.47 mm。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁相對(duì)于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁下?lián)现敌×思s-32 mm，可以更好控制結(jié)構(gòu)變形。

2) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的最小支座反力為749 kN，相對(duì)于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的446 kN支座反力儲(chǔ)備更為充足；同時(shí)，鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁中墩曲線內(nèi)、外側(cè)支座反力差值要遠(yuǎn)大于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁，穩(wěn)定性相對(duì)較差。

3) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊、中墩最大扭矩差值為38.8%，而鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁邊、中墩最大扭矩差值達(dá)到了76.3%，從扭力在全橋范圍分布情況來看，預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。

4) 鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩剪力最大差值為38.7%，相對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的邊、中墩最大剪力差值更大，相差約2.2倍。綜合來看，該橋選擇預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)對(duì)于控制變形及結(jié)構(gòu)受力合理性均要優(yōu)于鋼 — 混箱梁結(jié)構(gòu)。