不同約束方式對匝道橋力學性能影響研究

李繹青，張紅顯

(1. 長沙學院土木工程學院，湖南 長沙 410022；2. 長沙市規劃設計院有限責任公司，湖南 長沙 410007)

隨著國民經濟的發展，城市建設用地較為緊張，多層立交橋廣泛應用于城市綜合交通節點，由于城市既有建筑、地下管線等地形限制，城市匝道橋多采用小曲率半徑彎橋.然而，由于彎橋在外部荷載作用下具有彎扭耦合效應，同時結構支反力往往表現為曲線外側支座受力大于曲線內側反力的特點，因此，城市匝道橋不同的結構約束方式將大大影響結構力學性能.王克海、張盼盼、吳剛等[1]以石家莊市某匝道橋為例，研究了地震作用下，不同約束方式對匝道橋動力性能的影響；許震、羅小燁、盧琪等[2]對考慮彎橋臺土及樁土效應下整體式彎橋力學性能進行了研究；吳文朋、彭巧威、龍士國等[3]以5座連續彎橋為例，擬定不同的支座布置形式，研究了支座布置對不等高墩曲線橋梁抗震性能的影響；江婧[4]以R=25mPC彎橋為例，研究了超小半徑預應力混凝土彎橋力學性能；文獻[5-7]分別對彎橋車-橋耦合作用、地震作用以及設置水平約束體系作用下結構響應做了相關研究.然而，對于城市匝道橋結構，不同約束方式下，上部結構力學性能有所差異，因此掌握不同約束方式下彎橋內力、支反力、裂縫等指標的規律至關重要，可以為城市匝道橋工程設計提供參考.

本文以一座小半徑曲線梁橋為例，選取了城市匝道橋設計過程中最為常見的兩種結構約束方式，即固定支座+活動支座與墩梁固結+活動支座形式，建立了不同約束方式下結構有限元模型，分析了不同約束方式下結構力學性能特點，得出了相關結論.

1 工程概況

以長沙市某互通匝道橋(圖1)為例，該匝道橋跨徑布置為4×20m+4×20m+4×20m，橋梁總長240m.

上部結構為等截面鋼筋混凝土箱梁，單箱雙室截面，懸臂長度為1.6m，橫斷面總寬10.0m，底寬5.0m，頂、底板厚度均為0.22m，翼緣板厚度為0.18m，邊腹板厚度由跨中0.4m漸變至支點位置0.6m，中腹板厚度由跨中0.55m漸變至支點位置0.6m，鋼筋混凝土箱梁梁高均為1.6m，本文以該匝道橋第二聯作為研究對象，第二聯橋梁平面曲線半徑R=60m.

為了研究城市匝道橋不同約束方式作用下結構力學性能，分別設計固定支座+活動支座與墩梁固結+活動支座形式，定義約束方式A為P99墩曲線外側為固定支座，其余9個支座均為單向或雙向活動支座，定義約束方式B為P99墩為固結墩，曲線外側為雙向活動支座，曲線內側為單向活動支座.

2 有限元模型

采用MIDAS CIVIL2020建立不同約束方式下橋梁結構有限元模型(圖2)，本次約束均采用與橋梁實際狀況一致的模擬方式，約束方式A對應Model-A，有限元模型共93個節點，82個單元，約束方式B對應Model-B，有限元模型共107個節點，98個單元.本次有限元計算荷載部分均考慮結構自重、二期恒載、整體升溫(+30℃)、整體降溫(-30℃)、梯度升溫及梯度降溫(梯度溫度參考《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015))、支座沉降(-5mm)，移動荷載根據《城市橋梁設計規范》(CJJ 11-2011)第10.0.5條計算.

3 計算結果分析

3.1 約束方式對匝道橋曲線梁內力的影響研究

為了直觀分析約束方式不同連續彎橋結構力學性能，分別計算了基本組合、汽車荷載作用下結構內力，結果見圖3.

彎橋在荷載作用下存在扭矩的特性，本文對不同約束方式時結構扭矩進行計算分析，由于荷載作用下扭矩最大值均發生在支座位置，僅對各支點扭矩進行對比分析，結果見表1.

由圖3可知，對于城市匝道橋中常見的四跨連續梁，基本組合作用下，相較于固定支座+活動支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結約束形式的匝道橋荷載作用下邊跨跨中及支點彎矩均有所增大，變化幅度在2%～3%，中跨跨中彎矩均有所減小，變化幅度在5.5%～6%，墩梁固結位置，支點彎矩明顯增大，變化幅度為19.5%.

由表1可知，不同約束方式荷載作用下，除墩梁固結位置外，其余支點位置扭矩均有所增大，變化幅度在0.8%～1.2%，墩梁固結位置，支點扭矩明顯減小，變化幅度為11.1%.

表1 基本組合作用下不同約束方式扭矩表(kN·m)

由圖3(b)可知，當墩梁固結后，上部結構傳遞至橋墩彎矩、扭矩較大，若橋墩高度較小，剛度較大，下部結構受力較為不利.

因此城市匝道橋約束方式設計過程中，當采用中墩位置墩梁固結形式時，基本組合作用下，除墩梁固結位置處結構彎矩、扭矩有所增大外，上部結構其余位置受力變化較小.由于城市匝道橋往往縱坡較大并設置超高，結構在溫度、混凝土收縮徐變作用下易出現爬移現象[8-11]，當橋墩為柔性橋墩時，設置墩梁固結將大大提高結構抗傾覆能力及抗爬移能力.

3.2 約束方式對匝道橋支座反力的影響研究

定義彎橋支座編號見圖4，分別計算彎橋恒載、活載、標準組合、基本組合作用下支座反力，不同荷載作用下橋梁結構支反力對比見表2.

表2 不同約束方式各支座反力表

由表2可知，荷載作用下，彎橋梁端曲線外側支反力均大于曲線內側支反力，相較于固定支座+活動支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結約束形式的匝道橋荷載作用支反力均較小，但是變化幅度小，在設計過程中，除墩梁固結位置外，可以忽略約束方式對支反力的影響.

3.3 約束方式對匝道橋抗裂性能影響研究

鋼筋混凝土連續彎橋跨中最大裂縫均發生在箱梁底板，支點位置最大裂縫位于箱梁頂板，因此，本文以各跨跨中節點、墩頂節點為研究對象，計算正常運營狀態下上部結構裂縫寬度，基于midas civil后處理RC設計功能，不同約束方式正常運營狀態下，連續彎橋裂縫寬度見圖5.

本次計算采用相同的普通鋼筋布置方式，由圖5可知，正常使用極限狀態下，不同約束方式下上部結構抗裂性能均滿足規范要求，較于固定支座+活動支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結約束形式的匝道橋邊跨跨中底板裂縫有所增加，邊支點頂板裂縫寬度有所減小，但裂縫寬度變化幅度均在5%以內，與墩梁固結位置相關的橋跨跨中底板裂縫均明顯減小，裂縫寬度變化幅度在11%～12%，中墩位置墩梁固結后，頂板裂縫寬度明顯增大，變化幅度為19.5%.因此，城市匝道橋采用墩梁固結后，應加強墩梁固結橋墩頂板抗裂性能.

4 結論

(1)相較于固定支座+活動支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結約束形式的匝道橋基本組合作用下，除墩梁固結支點彎矩明顯增大、扭矩明顯減小外，其余位置彎矩、扭矩變化較小.

(2)城市匝道橋設計過程中，相較于固定支座+活動支座匝道橋，采用中墩位置墩梁固結約束形式時，其余支座支反力變化較小.

(3)中墩位置墩梁固結后，頂板裂縫寬度明顯增大，其余位置裂縫寬度變化較小，設計過程中可在墩梁固結位置上緣做局部加強.