不同曲線半徑下剛構橋懸臂法施工受力分析

劉 濤

曲線剛構橋的線形控制要比一般懸臂施工的直線剛構橋更重要也更復雜。對于曲線剛構橋,由于存在彎扭耦合效應,懸臂施工時箱梁截面在預應力、自重以及其他施工荷載的共同作用下產生扭轉,當轉角過大,即箱梁橫截面左右撓度差值不能忽略時,需設置扭轉預拱度。同時,曲率影響還使高墩產生徑向位移,這對于墩身豎直度及平面線性的控制也有影響,因此需對橋墩和主梁設置徑向預偏位。

對于采用懸臂澆筑施工的曲線剛構橋來說,以往桿件內力分析方法不能體現其截面上應力的空間分布,并且施工過程結構受力體系發生多次轉換,結構應力變化復雜,因此對變截面連續曲線剛構橋空間應力分布規律的研究十分重要。

1 建立模型

以紅石梁大橋為原型,利用有限元軟件ANSYS建立模型,梁高沿跨徑方向按二次拋物線變化,選擇曲線半徑400 m,500 m,600 m。在懸臂施工階段,除臨時施工荷載外,T構主要承受自重和預應力作用,對自重進行分析時,最大懸臂階段是應力最不利情況,因此計算時取最大懸臂狀態。

2 比較與分析

2.1 扭轉角比較

懸臂部分任意截面的扭轉角定義為截面內外緣豎向高差與截面寬度的比值,符號規定向曲線內側扭轉為負,向曲線外側扭轉為正。將不同曲線半徑、墩高情況下最大懸臂端頂板扭轉角進行對比。施工階段懸臂部位的扭轉主要來自兩部分的作用:1)因為曲線懸臂恒載自身沿順橋向縱軸產生扭轉力矩,使得懸臂部分相對于墩頂向曲線內側扭轉;2)因為懸臂自重對橋墩相當于偏心力作用而使墩身內傾,墩頂截面向曲線內側旋轉,加劇了最大懸臂端的絕對扭轉變形。

表1 不同曲線半徑下施工階段最大懸臂狀態扭轉角

從表1可以看出,施工階段墩身向內側彎曲,墩頂扭轉角隨著懸臂部分曲率的減小而增大,且曲率越小變化越大,幅度由曲線半徑每減小100 m,扭轉角增大23%加劇到增大28%。“差值”代表懸臂部分的相對扭轉,是第一種因素作用的結果,其值亦隨半徑減小而增大,變化幅度從14%增大到19%。

2.2 豎向位移比較

懸臂部分變形是個空間問題,其中豎向位移主要包括兩部分:懸臂部分在彎矩和扭矩共同作用下的位移以及墩身在壓力作用下的壓縮變形和橫向彎矩下的內傾位移。豎向位移符號規定向上為正,向下為負。從圖1,圖2可以看出,墩高一定,曲線半徑減小,最大懸臂端與懸臂根部豎向位移增大,半徑越小變化越明顯。曲線半徑變化100 m時,最大懸臂端處內緣豎向位移變化幅度為 11.4%～12.5%,外緣豎向位移變化幅度小于內緣,為2.6%～4.9%,內外緣變化幅度不同與扭轉變形有關。曲線半徑越小,橫截面內外緣位移差越大,在懸臂根部表現尤為突出。

2.3 徑向位移比較

自重作用下,曲線箱梁T構上部結構重心偏向內弧一側,墩身承受較大的橫向彎矩,使得T構墩身產生偏向圓心的側彎,并帶動主梁產生向平曲線內側的偏位。徑向位移符號規定向曲線內側偏移為負,向曲線外側偏移為正。

從圖3可以看出,曲線半徑越小,箱梁自重重心偏離墩身軸線的距離越大,墩身所受橫橋向彎矩越大,產生的側向水平位移就越大,變化幅度為每100 m增大16%～19%,半徑越大,變化趨勢漸弱。

2.4 正應力比較

自重作用下,曲線懸臂剛構產生負彎矩和扭矩,箱梁頂板截面絕大部分受拉,底板截面受壓,但是由于扭矩的影響,應力在橫截面上的分布是不均勻的,同時考慮到箱梁截面剪力滯效應影響,靠近腹板處應力增大,遠離腹板處應力減小。正應力符號規定拉應力為正,壓應力為負。

從圖4,圖5可以看出,曲線半徑減小,懸臂根部頂板內緣應力增大,外緣應力減小,曲線半徑越小,內外緣應力差值越大,正應力分布的不均勻程度加強,得出曲線箱梁隨曲率的增加彎扭耦合效應相應增大。

3 結語

自重作用下,曲線懸臂剛構受彎矩和扭矩共同作用,向曲線內側扭轉,使得內緣低外緣高,截面撓度大于同等跨徑直線橋,應力變化主要受彎扭耦合影響,內側大外側小,半徑越小橫截面應力內外側差異越大。曲線橋在成橋運營階段,曲線跨徑內主梁承受外傾扭矩,使主梁截面相對于墩頂截面向曲線外側旋轉,而懸臂施工階段的懸臂端的反方向扭轉可作為預設扭轉角,達到控制最終變形的目的。大跨高墩預應力連續剛構橋的結構復雜,施工階段較多,周期較長,環境變化大,各個階段的受力與變形也不斷變化,正確掌握各施工階段變形與受力情況對準確合龍及大梁的空間變形符合設計值具有重要意義。

[1] 徐潤平.大跨度曲線連續剛構橋施工控制分析[J].鐵道建筑技術,2003(4):25-27.

[2] 劉林石水,卓衛東,林建筑.五跨連續剛構橋梁空間受力特性分析[J].福建建筑,2004,86(1):51-53.

[3] 孫 飛.關于大跨連續剛構優化設計研究[J].山西建筑,2008,34(25):324-325.