變截面連續(xù)曲線箱梁橋不同半徑結(jié)構(gòu)受力分析

孫殿國(guó)

（南通市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226000）

由于預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁具有抗扭剛度大，同時(shí)能較好地適應(yīng)各種地形條件且線條平順等優(yōu)點(diǎn)，因此曲線箱梁橋在公路工程及城市道路立交中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在互通式立交橋的匝道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更為普遍。然而曲線梁橋的受力情況與結(jié)構(gòu)的聯(lián)長(zhǎng)、跨徑布置、支座的布置方式、配束方式、曲率半徑等因素有著密切的關(guān)系，結(jié)構(gòu)是否合理直接影響結(jié)構(gòu)的受力，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的安全問(wèn)題[1-2]。因此，對(duì)曲線梁橋受力性能進(jìn)行分析研究顯得非常重要，其可為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 曲線梁橋的受力特點(diǎn)

曲線梁橋梁因?yàn)榱狠S線呈曲線形式，由于曲率的存在使得曲線梁橋的受力特性尤為復(fù)雜，梁體內(nèi)同時(shí)受彎矩、剪力、扭矩的作用，因此相對(duì)于直線橋其扭矩非常大，而且還伴有翹曲。

梁截面在發(fā)生豎向彎曲時(shí)，由于曲率半徑的影響，必然會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而這種使梁扭轉(zhuǎn)的作用又將導(dǎo)致梁的撓曲變形，這就形成了“彎扭耦合”作用。因此，梁的變形也就是彎曲和扭轉(zhuǎn)兩者的疊加，其變形值也要比一般的直線正交橋偏大。同時(shí)，彎橋外側(cè)腹板的撓度會(huì)大于內(nèi)側(cè)腹板的撓度，而且曲率半徑越小影響會(huì)越大[3-6]。

由于扭轉(zhuǎn)力矩的作用，在彎梁橋中通常會(huì)出現(xiàn)“外梁超載，內(nèi)梁卸載”的現(xiàn)象，內(nèi)外梁應(yīng)力產(chǎn)生差異，這種現(xiàn)象在小半徑的寬橋中表現(xiàn)得特別明顯。曲線梁橋的橫梁是防止扭轉(zhuǎn)，保持全橋穩(wěn)定的重要構(gòu)件，因而與一般的直線橋相比，其剛度要較大。曲線梁橋的支反力與直線橋相比，有外側(cè)增大，內(nèi)側(cè)減小的趨勢(shì)，并有可能產(chǎn)生負(fù)反力，容易發(fā)生傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

2 模型的建立

梁格法作為有效、使用簡(jiǎn)便的空間分析方法在工程實(shí)踐中已得到較多應(yīng)用。梁格法是將上部箱梁結(jié)構(gòu)用等效的梁格來(lái)模擬，鋼筋混凝土橋梁一般按縱向、橫向雙向配置鋼筋，而且混凝土泊松比影響較小，用梁格法計(jì)算出的縱、橫向彎矩滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度，同時(shí)如果梁格網(wǎng)格設(shè)置足夠密時(shí)，計(jì)算出的翹曲效應(yīng)也能夠等效反映結(jié)構(gòu)實(shí)際情況[1-3]。梁格法在結(jié)構(gòu)計(jì)算中已得到廣泛應(yīng)用，如實(shí)體板結(jié)構(gòu)、異型板結(jié)構(gòu)、空心板結(jié)構(gòu)、單多室箱梁結(jié)構(gòu)等。

此次研究利用橋有限元軟件采用梁格法對(duì)一聯(lián)（32.5m+40m+32.5m）連續(xù)曲線箱梁進(jìn)行了空間分析計(jì)算，梁格法連續(xù)曲線箱梁空間分析計(jì)算有限元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖1。該箱梁為單箱單室，斜腹板，頂板寬度9m，高度在1.8～2.4m范圍變化。支座間距2.3m，橋墩徑向布置。取不同半徑形式（R=600m、R=400m、R=200m、R=100m、R=60m）進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比梁的受力性能。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 支座反力結(jié)果對(duì)比

分別對(duì)外側(cè)端支座、內(nèi)測(cè)端支座、外側(cè)中支座、內(nèi)測(cè)中支座的支座反力進(jìn)行了對(duì)比分析。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表4。

從表1～表4的數(shù)據(jù)可以看出：（1）自重作用下，曲線梁梁端外側(cè)支座反力較直線橋大，且隨著半徑減小而增大。中墩處支座反力隨半徑的不同有所變化，但變化幅度較梁端支座小。（2）預(yù)應(yīng)力對(duì)支反力的影響特別大，預(yù)應(yīng)力作用下的內(nèi)側(cè)支反力與外側(cè)支反力相比，差距很大，這也是導(dǎo)致內(nèi)側(cè)支座脫空的重要原因之一，也導(dǎo)致了梁體側(cè)傾趨勢(shì)的產(chǎn)生[4-7]。

3.2 變形結(jié)果對(duì)比

由于曲線梁存在彎扭耦合的作用，其梁體變形為彎曲和扭轉(zhuǎn)的相互作用而產(chǎn)生的，因此變形值要比一般直線橋要大。并且由于彎梁橋外側(cè)腹板的撓度大于內(nèi)側(cè)腹板的撓度，曲率半徑越小彎扭耦合作用越明顯橋梁變形越大，具體見(jiàn)表5。

3.3 應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

圖1 梁格法連續(xù)曲線箱梁空間分析計(jì)算有限元?jiǎng)澐郑▎挝唬簃）

曲線梁橋的外邊緣彎曲應(yīng)力一般要大于內(nèi)邊緣的彎曲應(yīng)力，內(nèi)梁和外梁受力不均。這是因梁體扭矩的存在，而使外梁超載而內(nèi)梁卸載，并且當(dāng)活載偏載時(shí)，梁內(nèi)側(cè)支座可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)反力，這種情況下如果支座為非受拉支座，就會(huì)產(chǎn)生梁體與支座脫離的現(xiàn)象，對(duì)橋梁的穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。箱體如果是箱梁，就會(huì)使內(nèi)外腹板受力不均，具體見(jiàn)表6。

表1 支座反力結(jié)果對(duì)比（外側(cè)端支座反力）單位：kN

表2 支座反力結(jié)果對(duì)比（內(nèi)側(cè)端支座反力）單位：kN

表3 支座反力結(jié)果對(duì)比（外側(cè)中支座反力）單位：kN

表4 支座反力結(jié)果對(duì)比（內(nèi)側(cè)中支座反力）單位：kN

表5 跨中變形對(duì)比表 單位：mm

表6 應(yīng)力結(jié)果對(duì)比 單位：MPa

4 結(jié)論

（1）曲線梁橋的曲率半徑是影響彎梁橋受力性能的重要因素之一。在曲線梁橋的設(shè)計(jì)中，曲率半徑的選擇往往是由橋位處地形情況確定的。設(shè)計(jì)曲線梁橋選線時(shí)，應(yīng)盡量采用曲率半徑較大的橋梁線形，出于對(duì)工程地質(zhì)環(huán)境的考慮，曲線梁橋的曲率半徑不能取得太大，可以采用合理選取橋梁的聯(lián)長(zhǎng)，這樣就可以使曲線梁橋的力學(xué)性能盡量接近直線橋。

（2）連續(xù)曲線橋中，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)于支座反力的分配有較大的影響。配束時(shí)可以考慮不對(duì)稱配束，綜合考慮梁體應(yīng)力和支座反力。

（3）端支座應(yīng)具備抗扭能力，避免運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空，端部向外側(cè)偏移，而內(nèi)側(cè)則向上翹，進(jìn)而帶來(lái)破壞伸縮縫裝置的風(fēng)險(xiǎn)。