曲率半徑對某曲線梁橋的內(nèi)力影響分析

鄭報(bào)文，張巍，施一春

（1.安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230092；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032；3.寧波富邦基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，浙江 寧波 315600）

1 引言

隨著現(xiàn)代化城市橋梁建設(shè)的發(fā)展，曲線梁橋在匝道橋的應(yīng)用越來越廣，其能有效的克服地形限制、滿足道路線形，增添城市景觀[1-2]。曲線梁橋與直線梁橋有明顯的受力區(qū)別，當(dāng)主梁承受豎向荷載產(chǎn)生的彎矩時(shí)，受曲率影響，必然產(chǎn)生扭矩[3]。在這種彎扭耦合的作用下，主梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算都更加復(fù)雜[4]。

為此，本文對3×20m鋼筋混凝土曲線梁橋在不同曲率半徑下的支反力、主梁內(nèi)力和跨中變形進(jìn)行計(jì)算分析，得出相關(guān)結(jié)論，以期為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考[5]。

2 工程背景

某高鐵站前廣場匝道橋，其中一聯(lián)為3×20m曲線梁橋，曲率半徑R=45m，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，梁高1.5m，寬9m，每跨跨中設(shè)置中橫隔板，寬0.3m。橋梁采用滿堂支架施工。

本文通過MIDAS/CIVIL 2019建立全橋有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，構(gòu)件類型為普通鋼筋混凝土構(gòu)件。其設(shè)計(jì)安全等級為Ⅰ級，構(gòu)件制作方法為現(xiàn)澆。其中梁單元共計(jì)61個(gè)，節(jié)點(diǎn)78個(gè)。考慮恒載、活載、施工荷載、溫度荷載和基礎(chǔ)沉降等因素，按施工順序?qū)θ珮蜻M(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算。

3 內(nèi)力影響分析

為分析曲率半徑對曲線梁橋的內(nèi)力影響，保持橋梁規(guī)模、邊界條件和荷載作用相同的前提下，分別對R=45m、R=90m、R=180m、R=300m、R=500m、R=1000m和R=∞(直線橋)等7種不同曲率半徑的橋梁進(jìn)行計(jì)算，取各模型特征截面的扭矩T、彎矩M、剪力V、支反力和位移進(jìn)行對比分析，得出相關(guān)結(jié)論。

3.1 主梁扭矩T 變化規(guī)律

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)和中跨跨中三個(gè)主梁特征截面的扭矩值T進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 主梁扭矩T變化圖

由圖1可知，隨著曲率半徑的增加，支點(diǎn)截面扭矩T呈逐漸減小的規(guī)律。半徑小于300m時(shí)，扭矩T影響尤為顯著，半徑大于300m后，扭矩T減小速度緩慢，趨于平穩(wěn)。

隨著半徑R的增加，跨中截面扭矩T呈逐漸減小的趨勢，但總體變化較為平緩，尤其半徑大于300m后，基本不變。

3.2 主梁彎矩M 變化規(guī)律

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)和中跨跨中三個(gè)主梁特征截面的彎矩值M進(jìn)行分析，如圖2所示。

由圖2可知，隨著曲率半徑的增加，主梁各特征截面彎矩M呈緩慢增加的趨勢，但總體變化平緩，基本不變。

3.3 主梁剪力V變化規(guī)律

圖2 主梁彎矩M變化圖

圖3 主梁剪力V變化圖

圖4 主梁跨中撓度變化圖

圖5 支反力變化圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)和中跨跨中三個(gè)主梁特征截面的剪力V進(jìn)行分析，如圖3所示。

由圖3可知，隨著曲率半徑的增加，主梁各特征截面剪力V呈緩慢增加的趨勢，但總體變化平緩，基本不變。

3.4 跨中撓度變化規(guī)律

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取中跨跨中撓度進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖4可知，隨著曲率半徑的增加，主梁跨中下?lián)铣试龃筅厔荨．?dāng)主梁剛度大時(shí)，其下?lián)显黾拥慕^對值較小，可忽略不計(jì)。實(shí)際工程中，曲線梁橋的主梁剛度一般較大，故其跨中下?lián)现递^小，可忽略不計(jì)，無需作為計(jì)算控制指標(biāo)。

3.5 支反力變化規(guī)律

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)內(nèi)側(cè)和外側(cè)支座反力值進(jìn)行對比分析，如圖5所示。

由圖5可知，隨著曲率半徑的增加，中支點(diǎn)內(nèi)側(cè)支反力逐漸減小，與之相對，邊支點(diǎn)內(nèi)側(cè)支反力呈逐漸增加的趨勢。

隨著曲率半徑的增加，中支點(diǎn)外側(cè)支反力逐漸增加，與之相對，邊支點(diǎn)外側(cè)支反力呈逐漸減小的趨勢。

4 結(jié)論

①曲率半徑的變化對主梁扭矩影響較為明顯，扭矩值與曲率半徑呈反相關(guān)關(guān)系。當(dāng)R＞300m時(shí)，其影響逐漸減弱。

②曲率半徑的變化對主梁彎矩和剪力影響較小，其總體趨勢為弱正相關(guān)關(guān)系，甚至可忽略不計(jì)。

③隨著曲率半徑的增加，跨中下?lián)铣示徛黾拥内厔荩蛟擃悩蛐徒Y(jié)構(gòu)剛度大，下?lián)现敌。珊雎圆挥?jì)。

④隨著曲率半徑的增加，中支點(diǎn)內(nèi)側(cè)支反力減小，外側(cè)支反力增加。故針對小半徑曲線梁橋設(shè)計(jì)時(shí)，注意采取措施預(yù)防中支點(diǎn)內(nèi)側(cè)支座脫空。

⑤當(dāng)橋梁曲率半徑R＞300m時(shí)，可近似采用直線橋梁進(jìn)行模擬計(jì)算。