基于相似原理的彎梁橋內(nèi)外側(cè)支反力差異性模型試驗研究

張景春

（廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著我國高速公路網(wǎng)及城市快速路的建設(shè)，大量的彎梁橋需要修建。箱梁由于具有整體性強、抗扭剛度大等良好的力學(xué)特性以及可以通過現(xiàn)澆施工方法靈活實現(xiàn)曲線線型等優(yōu)點，在彎梁橋中被大量采用。與直梁橋相比，曲線連續(xù)梁橋受豎向荷載時具有明顯的空間結(jié)構(gòu)力學(xué)特點[1，2]，受力頗為復(fù)雜。在恒活載和預(yù)應(yīng)力筋作用下，結(jié)構(gòu)不但產(chǎn)生縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲及翹曲，而且同一橋墩上曲線內(nèi)外側(cè)的兩個支反力也有明顯的差別，曲率半徑越小，內(nèi)外梁的支點反力相差越大，若設(shè)置不當(dāng)活載偏置時，內(nèi)梁甚至可能產(chǎn)生負反力，即出現(xiàn)“支座脫空”現(xiàn)象，這是相當(dāng)嚴重的工程病害，甚至?xí)斐晒こ淌鹿剩瑢Υ嗽O(shè)計人員應(yīng)格外關(guān)注。鑒于此，本文以白云山立交橋工程某匝道中一聯(lián)三跨預(yù)應(yīng)力混凝土彎梁橋為例，通過模型試驗，對幾種不利活載工況進行支座反力分析，以檢驗理論分析結(jié)果，并確保結(jié)構(gòu)的安全。

2 模型試驗及結(jié)果分析

2.1 工程概況與模型簡介

白云山公路立交橋是中心城區(qū)快速路工程的重要組成部分。本文選取A線匝道橋的一聯(lián)作為本次實驗的研究對象，該聯(lián)跨徑布置為33m+42m+33.6m=108.6m，梁高2.2m，梁中心曲線半徑98m，橋?qū)?m。根據(jù)相似理論，綜合考慮加工條件、測試設(shè)備、實驗室條件等多種因素后，最終選取1∶20的幾何縮尺設(shè)計制作了有機玻璃模型，有機玻璃模型全橋整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。據(jù)此，重點對支座反力進行測試和分析。

圖1 模型整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗工況的選取

在進行有機玻璃模型試驗之前，為確定活載的加載位置和加載范圍，以為活載試驗提供理論依據(jù)，本文針對預(yù)應(yīng)力彎梁橋由于彎扭耦合效應(yīng)使其內(nèi)外側(cè)腹板的應(yīng)力和變形存在差異的特點，基于梁格法建立了全橋有限元模型（見圖2）。

圖2 有限元模型

利用有限元模型獲得了邊跨邊支點（D10墩）和邊跨中支點（D11墩）的反力影響線（如圖3、圖4所示）。

圖3 D10墩支反力影響線

圖4 D11墩支反力影響線

對D10和D11號墩支反力而言，根據(jù)計算影響線可以很容易確定其加載的位置和加載范圍，這里針對D10和D11號墩支反力分別選取了三種和兩種加載工況，各工況具體的加載方式如表1所示。在模型試驗中，活載的加載均以均布荷載+集中荷載的方式模擬，均布荷載采用1mm不銹鋼板來分層施加，集中載荷采用鋼塊施加（見圖5）。加載時注意輕拿輕放，盡量避免沖擊以影響到實驗測試結(jié)果。

表1 模型試驗加載工況

圖5 加載試驗

2.3 試驗結(jié)果分析

按照上面試驗工況進行加載實驗，D10墩和D11墩測試工況各墩內(nèi)外側(cè)支反力結(jié)果見表2和表3。

表2 D10墩測試工況各墩支反力結(jié)果

表3 D11墩測試工況各墩支反力結(jié)果

從上表可以看出，工況1條件下，即對D10墩所在邊跨外弧施加均布荷載的同時在邊跨跨中施加集中荷載，對鄰近的D10、D11、D12墩處支座反力影響較大，且均呈現(xiàn)明顯的外弧側(cè)增大和內(nèi)弧側(cè)減小的趨勢，其中D11墩、D12墩處支座反力內(nèi)弧側(cè)減小的較大。但對較遠的D13墩而言，其內(nèi)外弧的支反力均呈微小的增大趨勢，這與前幾個墩反力變化情況不同。隨著荷載的增加，即工況2和工況3條件下支反力亦呈上述相同的變化規(guī)律。從校驗系數(shù)可見，理論和實測結(jié)果吻合較好，說明理論計算模型基本反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的真實特性。

從表3可見，當(dāng)在D10－D12墩均布偏載并在D11墩處施加集中荷載時，對D10、D11、D12墩處支座反力影響明顯，均呈現(xiàn)外弧側(cè)增大和內(nèi)弧側(cè)減小的趨勢，其中集中荷載所在的D11墩處外側(cè)支反力增量最大。工況3與工況2相比，隨著荷載的增加，D10－D12外弧支反力增加幅度顯著，而內(nèi)弧支反力減小的幅度漸緩；對D13墩處內(nèi)弧支座反力而言，荷載的增加使其增量由正變負，即呈減小的趨勢。

3 結(jié)論

3.1 預(yù)應(yīng)力彎梁橋在活載作用下具有明顯的內(nèi)外側(cè)支反力不均勻的特點，伴隨著扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，內(nèi)外側(cè)反力差值隨著載荷的增加逐步加劇，外弧側(cè)支座反力不斷增大，內(nèi)弧側(cè)支座反力不斷減小，在不利荷載作用下易于產(chǎn)生內(nèi)側(cè)支座脫空、外側(cè)支座局部受力過大的情況，進而危及橋梁安全的工程隱患，對此設(shè)計人員要高度重視。

3.2 對預(yù)應(yīng)力彎梁橋具有的較強的彎扭耦合效應(yīng)和內(nèi)外側(cè)支反力不均勻的特性，應(yīng)注意梁端的扭轉(zhuǎn)變形。變形過大，在兩聯(lián)之間的伸縮縫易產(chǎn)生相對錯動，加劇跳車現(xiàn)象，并導(dǎo)致伸縮縫過早破壞。

3.3 曲率半徑較小的預(yù)應(yīng)力彎梁橋，在活載下會受到徑向離心力的作用，加之梁體內(nèi)的較大扭矩產(chǎn)生的向外傾覆趨勢，如果不能很好地控制長期荷載下的變形積累，會使得支座偏離原有的支撐位置，造成支座脫空和梁體內(nèi)扭矩增加，從而導(dǎo)致橋梁的破壞。為此，建議在彎梁橋中除了注意合理布置抗扭支座外，還應(yīng)采取一定的側(cè)向限位措施限制梁體的側(cè)移，避免運營過程中梁體出現(xiàn)“爬移”。

[1]戴公連，李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計方法與運用[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]孫廣華.曲線梁橋計算[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]張杏萍，吳紅瑾，王利紅.預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋在公路立交橋中的應(yīng)用[J].世界橋梁，2003，（1）：27-29.

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[5]彭大文，林希鶴.預(yù)應(yīng)力連續(xù)彎箱梁的支座反力研究[J].福州大學(xué)學(xué)報，1998，（6）：63-68.