曲率半徑變化對高墩大跨連續鋼構橋靜力性能的影響研究

陳龍明

摘要：隨著我國高速公路的大規模建設，在中西部山區建造了多座高墩大跨徑預應力混凝土連續剛構橋。受橋址處的地形、地貌的影響，或道路線形走向的限制，很多高墩大跨徑連續剛構橋設置在曲線上。預應力混凝土連續剛構橋目前主要采用懸臂澆筑法施工，連續剛構橋施工時，橋梁不僅要經歷T型剛構階段形成主梁的過程，還要經歷體系轉換的過程，橋梁經歷了復雜的受力過程。本文主要對曲率半徑變化對高墩大跨連續鋼構橋靜力性能的影響進行了分析研究。

關鍵詞：曲線連續剛構橋;靜力力學性能;曲率半徑

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A

引言

近年來隨著我國高速公路的發展，尤其是山區高速公路的大規模建設開發，曲線橋由于其能夠很好的克服地形、地貌的影響，或受道路線形走向限制，并能體現出建設投資經濟、力學上、美學上的完美結合而得到廣泛應用。這些曲線橋梁跨度大，有時要跨越深谷，客觀上需要采用高墩、變高度箱梁等結構形式，并且橋寬也比一般的匝道橋寬，受空間地理條件的影響，也必須采用懸臂澆筑或拼裝等施工方式。

一、工程概況

本文以某高速公路在建的一座大跨徑曲線雙薄壁高墩預應力混凝土連續剛構橋為研究對象。該橋主跨170m，跨徑組成(95+170+95)m。全橋上下行分離，采用兩幅橋梁，每幅主梁采用單箱單室變高度預應力混凝土箱梁，箱梁頂寬12.2m，底寬6.5m;箱梁根部梁高10.5m，跨中梁高3.6m，箱梁高度按1.8次拋物線變化;上部結構按全預應力混凝土結構設計，采用縱、橫、豎三向預應力體系。主墩為矩形截面空心薄壁墩，墩高分別為62m和68m。該橋采用懸臂澆筑法施工，先進行下部結構施工，施工完成0號塊節段后再對稱向兩側懸臂施工，形成單“T”型剛構，先合攏邊跨，再合攏中跨，完成橋梁上部結構施工。主梁施工時最大懸臂長度84m，其中0號塊節段長16m，每個懸澆“T”型剛構縱向對稱劃分為21個節段，節段懸澆總長76m，邊、中跨合攏段長均為2m，邊跨現澆段長8.94m，在橋臺旁搭設支架現澆施工。

二、有限元建模

采用MIDAS/Civil有限元軟件進行計算，主梁采用變截面空間梁單元模擬，主墩采用一般空間梁單元模擬，預應力束采用施加預應力荷載模擬;施工過程中節段濕重、掛籃重量采用節點力和節點彎矩模擬;計算模型中按照規范規定考慮混凝土收縮、徐變效應和混凝土強度隨時間增長效應。計算模型的邊界條件為連續剛構橋的墩底采用固結模擬，墩梁采用彈性連接中的剛性連接實現;對于曲線剛構橋模型，分別定義橋臺處支座節點的局部坐標軸，從而約束該節點的順橋向位移和橫橋向位移。采用滿堂支架施工邊跨現澆段時，根據連續梁的約束形式對現澆段進行約束，即約束1個節點的豎向和縱向位移，其余節點僅約束豎向位移。體系轉換后，邊跨現澆段支座處按照設計圖紙支座情況模擬雙支座，分別約束支座處節點的豎向位移和橫向位移，其它節點約束釋放;其中支座處節點和主梁節點采用主從節點連接，主梁節點為主節點。

三、曲率半徑對橋梁靜力力學性能的影響

分別建立該橋梁的直線剛構橋計算模型和圓曲線半徑分別為1.5km，2km和2.5km的曲線剛構橋計算模型，對比分析直線剛構橋和曲線剛構橋在最大懸臂階段和成橋狀態下的靜力力學性能。

1、橫向彎矩、扭矩

以圓曲線半徑為2km的曲線剛構橋為例，通過計算可以得出，主梁橫向彎矩、扭矩主要由恒荷載(包括結構自重與施工階段的臨時施工荷載)與預應力鋼束共同作用產生，其中，恒荷載作用最大，主梁橫向彎矩和扭矩的最大值出現在墩頂兩側。直線剛構橋和不同曲率半徑的曲線剛構橋主梁根部橫向彎矩及彎矩計算結果見表1。

曲率半徑/m 2號墩頂 3號墩頂

左側薄壁墩 增大率/% 右側薄壁墩 增大率/% 左側薄壁墩 增大率/% 右側薄壁墩 增大率/%

直橋 0 0 0 0

2500 －784．1 －800．1 －804．65 －785．32

2000 －984．4 20．347 －1007．07 25．868 －1007．07 25．156 －983．93 25．290

1500 －1312．46 24．996 －1342．68 33．325 －1342．68 33．325 －1311．83 33．326

表1最大懸臂狀態時不同曲率半徑橋梁主梁根部橫向彎矩對比

由表1可以看出:直線剛構橋的主梁無橫向彎矩，但曲線剛構橋隨著曲率半徑的減小主梁根部最大橫向彎矩逐漸呈增大趨勢，且增加幅度顯著，最大增幅量為33.326%。這是由于曲線剛構橋是空間變化的結構，故曲率半徑越小橋梁，其空間效應越明顯，導致其主梁的橫向彎矩越大。對于橋墩，因直線剛構橋在施工過程中橋墩沒有橫橋向偏位，故沒有橫向彎矩，而曲線剛構橋隨著曲率半徑的減小，主梁重心偏離橋墩中心距離越來越大，導致主梁和橋墩發生徑向彎曲變形越來越嚴重，故橋墩橫向彎矩逐漸增大。對比分析以上4種曲率半徑的曲線剛構橋計算結果可以看出，橋墩的橫向彎矩增長率較大，最大值達33.325%。在成橋狀態，主梁根部的橫向彎矩和橋墩的橫向彎矩與最大懸臂狀態有相似的規律。直線剛構橋主梁無橫向彎矩，曲線剛構橋隨著曲率半徑的減小主梁根部最大橫向彎矩有逐漸增大的趨勢，增加幅度顯著，最大值為24.963%，橋墩的橫向彎矩最大增幅為24.966%。直線剛構橋和不同曲線半徑的曲線剛構橋主梁根部扭矩計算結果如表2所示。

曲率半徑/m 2號墩頂 3號墩頂

左側薄壁墩 增大率/% 右側薄壁墩 增大率/% 左側薄壁墩 增大率/% 右側薄壁墩 增大率/%

直橋 0 0 0 0

2500 －9833．07 10029．28 －9995．57 9844．82

2000 －12218．21 19．521 1

12498．11 19．754 －12498．1 20．023 12212．31 19．386

1500 －16290．01 24．996 16663．18 24．996 －16663．2 24．996 16282．15 24．996

表2最大懸臂狀態時不同曲率半徑橋梁主梁根部扭矩對比

由表2可以看出:主梁根部扭矩數值較大，比豎向彎矩小1個數量級。直線剛構橋主梁無扭矩，曲線剛構橋隨著曲率半徑的減小，主梁根部最大扭矩逐漸呈增大趨勢，增加幅度顯著，最大增幅為25%。成橋狀態主梁根部最大扭矩隨曲率半徑的變化規律與最大懸臂狀態時的計算結果類似，最大增幅為25%。

2、徑向位移和扭轉角

曲線剛構橋與直線剛構橋相比，會產生徑向位移。產生徑向變形的主要原因有:(1)由于曲線剛構橋存在曲率，使橋墩側向受力不平衡，產生彎曲變形;(2)橋墩的柔性較大，例如本橋，橋墩為高度達68m的薄壁空心墩，在由梁體自重產生的豎向壓力和彎矩作用下必然產生較大的變形;(3)橋墩頂墩梁固接，不能產生相對轉角，梁體隨著橋墩的彎曲變形會產生側向翻轉，從而減小了懸臂端的橫向變形，故墩頂橫向變形較懸臂端大。直線剛構橋和不同圓曲線半徑的曲線剛構橋最大徑向變形值如圖4和圖5所示。

圖4最大懸臂狀態時不同曲率半徑橋梁最大徑向位移對比

圖5成橋狀態時不同曲率半徑橋梁最大徑向位移對比

由圖4和圖5可以看出:隨著橋梁曲率半徑的減小，橋梁的最大徑向變形整體上呈增大趨勢，增加幅度較大，最大懸臂狀態時最大增幅為25%，成橋狀態時最大增幅為24.95%。說明橋梁彎曲程度越大，引起結構的橫向變形效應越大。對于曲線剛構橋，扭轉角主要由3部分組成:(1)由主梁自身扭轉產生;(2)墩頂處彎曲使懸臂曲梁產生附加扭轉角;3)由于幾何曲率影響，懸臂曲梁的豎向彎曲也會使梁體產生外側高內側低的變形。

結束語

綜合上述，為了確保曲線剛構橋成橋后內力和線形滿足設計要求，在施工過程中需要預設預拱度;同時應對施工關鍵控制截面進行應力監控，確保橋梁施工質量和施工安全。

參考文獻

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