曲率半徑對曲線梁橋支座受力性能的影響研究①

阿不來提.吐尼牙孜，包 杰，鄔曉光

(1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830006;2.長安大學(xué)，陜西西安710064)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，快速干道工程在公路和城市道路建設(shè)中被廣泛采用，曲線梁橋是高等級公路和城市快速道路中連接貫通的必要手段［1］.

而且在高等級公路建設(shè)中，由于路線設(shè)計的要求，或者限于地形、地物的影響，很多情況下都需要修建曲線形式的梁橋來滿足交通要求.近年來研究曲線梁橋整體受力性能的比較多，但是具體研究支座受力的不多，本文以曲率半徑為控制點，研究支座反力效應(yīng)變化，從而得到曲率半徑對曲線梁橋的影響規(guī)律.

曲線橋的受力比較復(fù)雜，最明顯的受力特點就是，梁體截面在發(fā)生豎向彎曲時，由于彎橋的曲率半徑，會使梁體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)又會引起梁體撓曲變形，這被效應(yīng)叫“彎扭耦合”效應(yīng)［2］.如果橋梁結(jié)構(gòu)一直在較大負(fù)荷下運營，再加上溫度和預(yù)應(yīng)力的影響，梁體就會出現(xiàn)“外梁超載，內(nèi)梁卸載”的現(xiàn)象，日積月累，最終會導(dǎo)致支座脫空的現(xiàn)象，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營［3］.

1 曲線梁橋計算理論

曲線梁橋的主要有以下幾種計算理論與方法:第一，純扭轉(zhuǎn)理論:將結(jié)構(gòu)視為曲線彈性桿件，橫截面上不發(fā)生翹曲和畸變，橫截面的剪切中心軸線與曲線梁形心軸線相重合;第二，有限元法:將結(jié)構(gòu)劃分為有限多個空間單元，可以得到各截面上的應(yīng)力結(jié)果;第三，梁格法:用一個等效的梁格系來模擬，假定將各區(qū)段內(nèi)的抗扭、彎曲剛度集中于相鄰的等效梁格內(nèi)，梁的縱向剛度集中在縱向梁格內(nèi)，梁的橫向剛度集中在橫向梁格內(nèi)，曲線梁橋較多采用這種分析方法［4～6］.

圖1 橋梁立面圖(單位:mm)

2 工程實例

2.1 工程概況

本文以新疆某城市一匝道橋為依托工程，對其支座進(jìn)行受力分析.該匝道橋為鋼筋混凝土板橋，材料選為C30 混凝土，橋梁跨度為:15.0+20.0+15.0 米，橋梁寬度為8.5 米，橋梁的彎曲半徑為500.0 米.設(shè)計荷載為城－A 級車輛荷載，設(shè)計車道為2 車道，均布荷載10KN/m，集中荷載300KN.橋梁立面布置圖如圖1，橫斷面圖如圖2.

圖2 橫斷面圖(單位:mm)

2.2 支座布置形式

按照實際結(jié)構(gòu)中的約束情況，添加邊界條件.在梁端設(shè)置一個雙向活動支座和一個單向活動支座，這樣可以更好地傳遞水平力，中間墩選取一個布置固定支座，其它的布置單向支座或者雙向支座.支座布置形式如圖3.

圖3 支座布置圖

圖4 曲線梁橋有限元模型

2.3 有限元建模

采用有限元軟件MIDAS Civil 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，全橋共有715 個節(jié)點，640 個單元，單元每隔1 米進(jìn)行一次劃分，單元采用的是板單元，模型的邊界條件按照實際結(jié)構(gòu)中的雙向活動支座、單向活動支座、固定支座等約束類型進(jìn)行約束.并建立了曲率半徑為1000m和3000m 的橋型來進(jìn)行對比分析，全橋模型如圖4.

圖5 中載支座反力示意圖

圖6 偏載支座反力示意圖

圖7 中載時端支座反力變化圖

2.4 計算結(jié)果

考慮車輛在曲線梁外側(cè)行駛和靠內(nèi)側(cè)行駛兩種工況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.移動荷載采用城市－A 級荷載規(guī)范，分析結(jié)果如圖5 ～10 及表1 ～表3.圖5 為曲率半徑為500m，車輛中載情況下支座反力示意圖，圖6 為曲率半徑為500m 時，車輛偏載情況下的支座反力示意圖.

表1 至表3 列出了各種曲率半徑的曲線橋在車輛中載和車輛偏載工況下的支座反力.

表1 曲率半徑為500 米時曲線橋支座的反力值

圖8 偏載時端支座反力變化圖

圖9 中載時中間支座反力變化圖

表2 曲率半徑為1000 米時曲線橋支座的反力值

表3 曲率半徑為3000 米時曲線橋支座的反力值

A1 128.2 127.3 127.2 65.3 P1 102.4 214.1 206.7 49.6中載 P2 109.6 229.1 229.1 109.9 A2 66.3 134.3 134.3 66.3 A1 335.7 25.7 37.5 －31.4 P1 479.3 122.6 106.0 －59.9偏載 P2 482.5 131.6 109.2 －79.4 A2 335.9 25.7 37.7 －32.0

圖5 至圖7 是隨曲率半徑變化曲線橋支座的反力值比較.

圖10 偏載時中間支座反力變化圖

從圖7 至圖10 可以看出，曲率半徑從500m 增大到3000m 后，端支座A1 反力由58.4KN 增大到128.2KN，增大了1.19 倍;端支座A2 的反力值由61.3KN增大到128.3KN，增大了1.09 倍.而隨著曲率半徑的增大，曲線橋的中間支座的反力值是逐步減小的，中間支座P1 反力值由204.8KN 減小到102.4KN，減小幅度為35.2%;P2 支座由273.6KN 減小到206.7KN，減小幅度為24.5%.曲線橋在車輛偏載的作用下，內(nèi)側(cè)支座都出現(xiàn)了負(fù)反力，最大值達(dá)到了－79.4KN，如果沒有設(shè)置抗拉支座的話，就會造成支座脫空的病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營.

3 結(jié) 論

(1)約束條件相同，當(dāng)曲率半徑增大時，內(nèi)側(cè)支座反力會隨之增大，外側(cè)支座反力隨之減小.當(dāng)曲率半徑足夠大時，如本工程實例中小跨徑曲線橋的曲率半徑達(dá)到3000 米時，受力情況和直橋相差不大，同墩處的內(nèi)外側(cè)支座反力幾乎相等.

(2)隨著曲線梁曲率半徑的增大，梁端支座的反力有增大的趨勢，實例中曲率半徑由500m 增大到3000m 的過程中，反力也由58.4KN 增大到128.2KN，中間支座的反力隨著曲率半徑的增大會逐步減小.且曲率變化對梁端側(cè)支座的影響效應(yīng)比對中間支座的影響效應(yīng)大，所以在支座選型過程中要相應(yīng)考慮.

(3)由于受彎扭耦合效應(yīng)影響，在荷載作用下梁端內(nèi)外弧側(cè)支座反力分配會很不均勻，如果在加上支座沉降、溫度等荷載因素，會使得梁端內(nèi)弧側(cè)支座產(chǎn)生很大的負(fù)反力.且從計算結(jié)果可以看出，曲線梁橋的曲線半徑越小，內(nèi)外側(cè)的支座反力差距越大，支座出現(xiàn)負(fù)反力的可能性越大.應(yīng)在設(shè)計構(gòu)造上采取相應(yīng)措施給以保證，如考慮設(shè)置抗扭支座等.

(4)曲線梁橋如果長期處于偏載且超載的運營狀態(tài)下，內(nèi)側(cè)支座由于受負(fù)反力會處于受拉狀態(tài)，會導(dǎo)致支座脫空等病害，影響結(jié)構(gòu)的受力形式的安全運營，所以要合理選擇支座類型和調(diào)整支座布置方式.

［1］ 肖兵，方詩圣，肖龍.支承形式對曲線梁橋的受力影響分析［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報，2011.

［2］ 湯競興.預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋支座布置效應(yīng)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2009

［3］ 張平.曲線梁橋常見病害分析與設(shè)計優(yōu)化［D］.西安:長安大學(xué)，2013.

［4］ 李惠生，張羅溪.曲線橋梁結(jié)構(gòu)分析［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.

［5］ 方詩圣，肖兵，張吉爍，章曉暉.支座布置形式對曲線梁橋力學(xué)性能的影響［J］.世界橋梁，2011.

［6］ 王鈞利.曲線箱梁橋的病害分析及設(shè)計對策［J］.中外公路，2005.