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(yàn)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(guó)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(qiáng)、抗扭剛度大等良好的力學(xué)特性以及可以通過(guò)現(xiàn)澆施工方法靈活實(shí)現(xiàn)曲線線型等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)具有明顯的空間結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)[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(gè)支反力也有明顯的差別，曲率半徑越小，內(nèi)外梁的支點(diǎn)反力相差越大，若設(shè)置不當(dāng)活載偏置時(shí)，內(nèi)梁甚至可能產(chǎn)生負(fù)反力，即出現(xiàn)“支座脫空”現(xiàn)象，這是相當(dāng)嚴(yán)重的工程病害，甚至?xí)斐晒こ淌鹿剩瑢?duì)此設(shè)計(jì)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?yàn)槔?，通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)幾種不利活載工況進(jìn)行支座反力分析，以檢驗(yàn)理論分析結(jié)果，并確保結(jié)構(gòu)的安全。

2 模型試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 工程概況與模型簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)的研究對(duì)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(cè)試設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室條件等多種因素后，最終選取1∶20的幾何縮尺設(shè)計(jì)制作了有機(jī)玻璃模型，有機(jī)玻璃模型全橋整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。據(jù)此，重點(diǎn)對(duì)支座反力進(jìn)行測(cè)試和分析。

圖1 模型整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗(yàn)工況的選取

在進(jìn)行有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)之前，為確定活載的加載位置和加載范圍，以為活載試驗(yàn)提供理論依據(jù)，本文針對(duì)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(diǎn)，基于梁格法建立了全橋有限元模型（見(jiàn)圖2）。

圖2 有限元模型

利用有限元模型獲得了邊跨邊支點(diǎn)（D10墩）和邊跨中支點(diǎn)（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(duì)D10和D11號(hào)墩支反力而言，根據(jù)計(jì)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(duì)D10和D11號(hào)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(yàn)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(lái)分層施加，集中載荷采用鋼塊施加（見(jiàn)圖5）。加載時(shí)注意輕拿輕放，盡量避免沖擊以影響到實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

表1 模型試驗(yàn)加載工況

圖5 加載試驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上面試驗(yàn)工況進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，D10墩和D11墩測(cè)試工況各墩內(nèi)外側(cè)支反力結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 D10墩測(cè)試工況各墩支反力結(jié)果

表3 D11墩測(cè)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(duì)D10墩所在邊跨外弧施加均布荷載的同時(shí)在邊跨跨中施加集中荷載，對(duì)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(shì)，其中D11墩、D12墩處支座反力內(nèi)弧側(cè)減小的較大。但對(duì)較遠(yuǎn)的D13墩而言，其內(nèi)外弧的支反力均呈微小的增大趨勢(shì)，這與前幾個(gè)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(yàn)系數(shù)可見(jiàn)，理論和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明理論計(jì)算模型基本反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的真實(shí)特性。

從表3可見(jiàn)，當(dāng)在D10－D12墩均布偏載并在D11墩處施加集中荷載時(shí)，對(duì)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(shì)，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(duì)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(fù)，即呈減小的趨勢(shì)。

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(diǎn)，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(guò)大的情況，進(jìn)而危及橋梁安全的工程隱患，對(duì)此設(shè)計(jì)人員要高度重視。

3.2 對(duì)預(yù)應(yīng)力彎梁橋具有的較強(qiáng)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(guò)大，在兩聯(lián)之間的伸縮縫易產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，加劇跳車現(xiàn)象，并導(dǎo)致伸縮縫過(guò)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(huì)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(shì)，如果不能很好地控制長(zhǎng)期荷載下的變形積累，會(huì)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(yùn)營(yíng)過(guò)程中梁體出現(xiàn)“爬移”。

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