某小半徑現(xiàn)澆箱梁橋墩梁連接方式受力性能分析

王一光， 鄭元勛

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450000； 2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

為了滿足日益增長的交通需求，高速公路建設(shè)數(shù)量越來越多，匝道橋作為高速公路建設(shè)中重要組成部分，通常被設(shè)計為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋[1-6]。然而，由于線形變化較大的原因，曲線形箱梁橋成橋后會受到彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)的共同作用，經(jīng)常發(fā)生支座脫空、腹板開裂等病害[7-10]。因此，必須采取一定的措施以改善曲線箱梁橋的力學(xué)性能。

墩梁連接方式是影響橋體整體力學(xué)性能的重要因素，常規(guī)的墩梁連接方式有墩梁簡支和墩梁固結(jié)兩種[11-16]。李彪等[17]研究了不同墩梁連接方式對某大縱坡預(yù)制T梁橋靜力性能的影響，結(jié)果表明采用墩梁固結(jié)的方式可以有效減小大縱坡T梁橋梁體的縱向位移；許震等[18]研究了不同上下部連接方式對溫度變化作用下橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響，結(jié)果表明: 主梁與橋臺連接方式對整體橋受力的影響大于主梁與橋墩的連接方式；霍學(xué)晉等[19]研究了五跨連續(xù)、五跨連續(xù)剛構(gòu)及連續(xù)-剛構(gòu)組合情況下的大跨鐵路橋梁的地震反應(yīng)特性，結(jié)果表明五跨連續(xù)梁設(shè)計方案的抗震性能良好，是合理可行的橋式方案；王解軍等[20]通過有限元計算，對比分析了固結(jié)體系曲線梁橋和曲線連續(xù)梁橋的主梁彎、扭性能。結(jié)果表明固結(jié)體系曲線箱梁的最大彎矩和扭矩均小于連續(xù)曲線梁；盧二俠等[21]提出了一種新型小半徑曲線剛構(gòu)體系橋，并利用Midas/Civil軟件分析了此體系橋梁的結(jié)構(gòu)受力特點，結(jié)果表明：縱向采用一個固結(jié)墩就可有效防止支座脫空、梁體側(cè)傾問題的出現(xiàn)。

該文以某高速公路匝道的兩聯(lián)曲線形箱梁橋(3×30 m+3×40 m)為例，利用Midas/Civil軟件建立該橋的有限元模型，并從強度、剛度、穩(wěn)定性3個方面分析墩梁簡支和墩梁固結(jié)工況下橋梁的靜力性能，并根據(jù)有限元計算結(jié)果選出最適合的墩梁連接方式。

1 工程概況及有限元分析

1.1 工程概況

某高速公路匝道橋后兩聯(lián)為現(xiàn)澆箱梁橋，跨徑布置為(3×30 m)+(3×40 m)，其立面圖如圖1所示。該匝道橋后兩聯(lián)平面位于左偏圓曲線上，半徑115 m，橋梁凈寬9.50 m，設(shè)計荷載等級為公路—Ⅰ級，抗震設(shè)防烈度為6度。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，其橫截面如圖2所示；下部結(jié)構(gòu)11#、12#、13#墩采用空心墩，14#墩采用柱式墩，16#、17#墩采用實體墩?，F(xiàn)澆箱梁采用C50混凝土，普通鋼筋選用HPB300和HRB400鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼絞線選用公稱直徑為15.2 mm的1860級低松弛高強度鋼絞線。

圖1 某高速公路匝道兩聯(lián)曲線形箱梁橋立面圖(除標(biāo)高為m外，其余單位：cm)

圖2 箱梁截面圖(單位：cm)

1.2 有限元建模

利用有限元軟件Midas/Civil對該橋進行分析計算。該橋有限元模型如圖3所示。箱梁、橋墩等均按實際尺寸模擬，模型采用梁單元。此次有限元計算中材料的設(shè)計參數(shù)如表1所示。在計算中所考慮的荷載包括橋梁自重、二期恒載、整體升溫(+25 ℃)、降溫(-20 ℃)、溫度梯度作用和車輛/車道荷載作用。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[22]，按照承載能力極限狀態(tài)對永久荷載和可變荷載進行組合并按照最不利效應(yīng)進行計算。其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為1.1；永久荷載(包括橋梁自重，二期恒載)的分項系數(shù)取為1.2；車道荷載分項系數(shù)取為1.4；溫度荷載(包括升溫、降溫和溫度梯度)的分項系數(shù)取為1.4，其組合值系數(shù)取為0.75。

表1 材料設(shè)計參數(shù)

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

1.3 分析工況

常規(guī)的墩梁連接方式主要有墩梁固結(jié)和墩梁之間采用支座連接兩種。該文分析按照以下兩種工況進行：

工況1：墩梁不固結(jié)，所有墩梁之間用支座連接。

工況2：邊墩不固結(jié)，固結(jié)中間兩個橋墩。

2 結(jié)果與分析

2.1 剛度分析

在施工及運營過程中，主梁和橋墩會在各種荷載的共同作用下產(chǎn)生位移，若主梁、橋墩位移量過大，會嚴重降低橋梁施工及運營期的安全性和穩(wěn)定性，同時也會對行車舒適性造成影響。各工況下橋體位移云圖如圖4所示。下文主要從墩頂和箱梁縱向及橫向位移的角度對各工況下橋梁的剛度進行分析。

圖4 各工況下橋梁位移云圖

2.1.1 墩頂位移

圖5為兩種工況下墩頂?shù)目v向及橫向位移。

由圖5(a)可知：工況1下第一聯(lián)12#墩(中墩)的縱向位移達到最大值29.9 mm，約為墩梁固結(jié)工況下該墩縱向位移的2.6倍，并且從整體上看，墩梁固結(jié)工況下所有橋墩的縱向位移均小于墩梁不固結(jié)工況。類似地，如圖5(b)所示，當(dāng)墩梁固結(jié)時所有橋墩的橫向位移也小于墩梁不固結(jié)工況，橋墩橫向位移最大值出現(xiàn)在墩梁不固結(jié)工況下13#墩處。此外由圖5可以看出12#、13#墩頂位移要比15#、16#大，這是由于12#、13#墩為空心墩，橋墩本身剛度較小的原因。綜上可知，橋墩和箱梁的固結(jié)可以有效減小各種荷載作用下橋墩的橫向和縱向位移。

圖5 墩頂位移圖

2.1.2 主梁位移

選取每一聯(lián)曲線橋各支承點及跨中共7個典型位置的縱向及橫向位移進行分析，結(jié)果如圖6所示。對于第一聯(lián)曲線橋，當(dāng)墩梁不固結(jié)時，箱梁縱向位移均在50 mm以上，最大縱向位移出現(xiàn)在12#墩支承點處，其值約為58 mm。當(dāng)中間橋墩與箱梁固結(jié)后，箱梁縱向位移明顯降低，且基本保持在10 mm左右。第二聯(lián)曲線橋也表現(xiàn)出相似的趨勢，即墩梁固結(jié)后，箱梁縱向位移明顯降低。如圖6(b)所示，當(dāng)墩梁固結(jié)后，箱梁的橫向位移也表現(xiàn)出明顯的降低趨勢。因此，可以認為橋墩和箱梁采用墩梁固結(jié)的連接方法同樣可以減小箱梁的縱向和橫向位移。

圖6 箱梁位移圖

2.2 強度分析

當(dāng)墩梁連接方式改變時，橋墩和箱梁的受力也會有所不同。各工況下橋體應(yīng)力云圖如圖7所示,下文主要從不同位置橋墩和箱梁的應(yīng)力角度對各工況下橋梁的強度進行分析。

圖7 各工況下橋梁應(yīng)力云圖

2.2.1 橋墩應(yīng)力

圖8為不同工況下橋墩的墩頂和墩底應(yīng)力變化。

圖8 橋墩應(yīng)力變化

從整體上來看，當(dāng)墩梁不固結(jié)時，由于墩頂支座的作用，墩頂和墩底所受的應(yīng)力較小，4個橋墩墩頂應(yīng)力均小于2 MPa，墩底應(yīng)力均小于4 MPa；而當(dāng)墩梁固結(jié)時，墩頂和墩底的應(yīng)力值都明顯增大，4個橋墩墩頂應(yīng)力為不固結(jié)時的1.93、1.5、2.63和2.56倍，而墩底應(yīng)力分別為不固結(jié)狀態(tài)的2.2、2.0、1.5和1.7倍。值得注意的是，墩底應(yīng)力是橋墩配筋設(shè)計中的一項重要指標(biāo)，因此當(dāng)選用墩梁固結(jié)方案時，固結(jié)點所對應(yīng)橋墩的配筋率也要隨之增大。

2.2.2 箱梁應(yīng)力

兩聯(lián)曲線箱梁橋支承點和跨中7個典型位置處箱梁的應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。從整體上來看，當(dāng)墩梁固結(jié)時，7個位置處箱梁的應(yīng)力均略高于不固結(jié)工況，但應(yīng)力提升幅度遠小于橋墩應(yīng)力，因此可以認為墩梁固結(jié)對橋墩的應(yīng)力影響較大，而對箱梁應(yīng)力的影響較小。另外，第二聯(lián)箱梁各點應(yīng)力均高于第一聯(lián)箱梁，這是由于第二聯(lián)箱梁橋跨度較大，因此支承點和跨中受力也較大。

圖9 箱梁應(yīng)力

2.3 穩(wěn)定性分析

為了研究不同墩梁連接方法對全橋整體穩(wěn)定性的影響，通過Midas/Civil軟件計算分析了各個工況下全橋的1階模態(tài)對應(yīng)的穩(wěn)定特征值，結(jié)果如表2所示。

JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[22]中并沒有對成橋狀態(tài)下橋體的穩(wěn)定性特征值做出相應(yīng)的規(guī)定，因此該文參考該規(guī)范中對拱橋和斜拉橋的屈曲穩(wěn)態(tài)安全度為4的規(guī)定對成橋狀態(tài)橋體的穩(wěn)定性進行分析。由表2可知：所有工況下橋體的1階失穩(wěn)模態(tài)均為縱橋向的面內(nèi)失穩(wěn)，且橋體穩(wěn)定特征值均大于4，即無論墩梁是否固結(jié)，橋體穩(wěn)定性均滿足要求。但是當(dāng)墩梁不固結(jié)時，橋體的穩(wěn)定特征值均偏小，當(dāng)墩梁固結(jié)時，第一聯(lián)和第二聯(lián)橋體穩(wěn)定特征值分別為不固結(jié)狀態(tài)的1.99倍和2.89倍，即墩梁固結(jié)可以顯著提高橋體的穩(wěn)定性。此外，第一聯(lián)箱梁橋在兩種工況下的穩(wěn)定特征值均小于第二聯(lián)箱梁橋，這是由于第一聯(lián)橋墩選用空心墩，其穩(wěn)定性略小。

表2 各工況下橋體穩(wěn)定特征值

3 結(jié)論及建議

從剛度、強度和穩(wěn)定性3個方面分析了墩梁固結(jié)和不固結(jié)工況下某高速公路曲線形箱梁橋的靜力特征，主要結(jié)論及建議如下:

(1) 相較于墩梁不固結(jié)，固結(jié)橋墩和箱梁可以有效減小內(nèi)外力作用下的橋墩墩頂和箱梁的橫向和縱向位移。第一聯(lián)橋墩位移大于第二聯(lián)橋墩的原因是第一聯(lián)橋墩為空心墩，剛度較小。

(2) 墩梁固結(jié)時橋墩墩頂和墩底的應(yīng)力都有所增加，因此當(dāng)選用墩梁固結(jié)方案時，固結(jié)點所對應(yīng)橋墩的配筋率也要隨之增大，并且墩梁固結(jié)對橋墩的應(yīng)力影響較大，對箱梁應(yīng)力影響較小。

(3) 無論墩梁是否固結(jié)，橋體穩(wěn)定性均滿足要求，但是墩梁固結(jié)時橋體的穩(wěn)定性要明顯高于墩梁不固結(jié)的工況。第一聯(lián)箱梁橋由于空心墩穩(wěn)定性較低的原因，導(dǎo)致其整體穩(wěn)定性要小于第二聯(lián)箱梁橋。

(4) 綜合橋梁剛度、強度和穩(wěn)定性3個方面的分析，建議橋梁建造時選擇固結(jié)中間兩個箱梁和橋墩的方案。