小半徑新型橋梁的設計及受力分析

尤啟源

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430033)

0 引 言

基于小半徑鋼-混凝土結構的新型橋梁結構形式進行研究分析，該橋型的橫向連接縫都是采用濕接縫進行澆筑[1]。對于傳統(tǒng)混凝土結構，隨著荷載的不斷作用這種橫向濕接縫也會出現(xiàn)損壞。組合型鋼混結構具有較強的荷載承受能力和抗屈服能力，因此在性能方面比傳統(tǒng)的橋梁結構存在優(yōu)勢。鋼混組合梁底部為鋼板，可表現(xiàn)出較好的整體性能[2]。通過有限元軟件建立空間模型，以更好的對小半徑鋼混疊合梁橋受力特點進行計算分析[3]。

1 曲線段橋梁的受力分析

1.1 曲線梁受力分析

(1)荷載作用下，曲線梁橋由于自身結構的特殊性，會表現(xiàn)出扭曲變形、彎曲變形。橋梁在扭轉(zhuǎn)作用和彎曲作用下，會導致自身的耐久性降低。主要原因為曲線橋承受的扭曲變形相比于直線橋大很多，因此在扭曲作用下，曲線橋邊梁會發(fā)生變形。當曲線半徑越小時，撓曲變形越大[3]。

(2)扭轉(zhuǎn)作用下，曲線橋梁的外邊緣應力分布狀態(tài)應盡可能均勻，小半徑的曲線橋在外荷載作用下，會產(chǎn)生內(nèi)側(cè)支座反力小于外側(cè)支座反力；內(nèi)側(cè)負彎矩應大于直線段。因此在對曲線梁橋進行設計時，應對跨徑分配問題進行詳細計算和重點分析[4]。

(3)由于曲線梁自身受力情況，主要受力特點為：彎矩、扭矩的耦合作用。

1.2 鋼混疊合梁橋的力學性能

經(jīng)過工程實踐得出，直線橋與曲線橋受力特點主要有以下特點。

小半徑曲線梁橋重心位于橫截面外側(cè)，橋梁受到扭矩作用時，最終形成彎扭組合變形。當橋梁的曲線半徑越小時，組合變形越大[5]。

橋梁的設計中對于一般小曲線半徑，為了改善小曲線橋受力特點可以通過改變翼緣板的設置寬度，這種方式經(jīng)驗證是非常有效的。小半徑橋梁主要受力作用是梁體扭矩，采用鋼混疊合梁橋的結構形式可以有效的減小梁體的扭矩作用對梁的不利影響，鋼混疊合梁橋近些年的發(fā)展能夠有效體現(xiàn)連續(xù)梁結構特點，梁的整體性相比一般連續(xù)梁結構更加穩(wěn)定，降低了梁體的不利受力帶來的弊端，就行車特點而言，小半徑曲線梁橋的橋面鋪裝特點，對梁體的整體結構受力有著重要的作用。

2 小半徑曲線梁施工變形分析

2.1 梁體吊裝過程分析

鋼混疊合梁在小半徑曲線段施工時，梁體吊裝過程中會產(chǎn)生撓曲變形，吊裝過程變形趨勢和梁體受力產(chǎn)生撓曲變形是一致的，吊裝階段梁體由于梁自重作用產(chǎn)生撓曲變形，這種梁體的撓曲變形可以采用臨時支承墩以減小梁體施工過程中的撓度，臨時墩柱可以有效減小墩柱的荷載，在梁體吊裝施工階段跨中會產(chǎn)生較大的撓度，這是由于橋梁設計受力產(chǎn)生的，根據(jù)現(xiàn)有的橋梁設計證明，運營過程中曲線半徑為80 m的鋼混疊合梁橋產(chǎn)生的荷載和撓度最大，當鋼混疊合梁橋在曲線半徑為150 m時，產(chǎn)生的撓曲變形量相對較小[6]。

2.2 梁體澆筑、拆除支架受力分析

鋼混疊合梁施工過程中承受變形主要是由梁體自重產(chǎn)生的，撓度從外側(cè)邊部到內(nèi)測邊緣逐漸減小是在整個施工過程中受力變化趨勢，從澆筑梁體至形成強度拆除支架，在臨時支撐作用下曲線梁橋固結作用受力影響會減小，鋼梁主要產(chǎn)生的扭曲變形作用較為明顯，梁體的內(nèi)外側(cè)邊緣部位受力作用與橋中軸線的撓曲變形方向一致，這種受力特點和預制結構受力特點是相同的。用于抵抗梁體變形的受力體系是預應力，經(jīng)實踐證明曲線橋的半徑越小，預應力作用效果越明顯，橋跨結構的變形減小程度越明顯，越有利于減小撓度，橋梁安全性越好[7]。

3 鋼混疊合梁在小半徑中應用實例

橋梁安全性的重要評定參數(shù)是屈曲安全系數(shù)，這個安全系數(shù)直接反映了橋梁受力變形特點，梁體產(chǎn)生的變形被定義為屈曲變形，是橋梁結構產(chǎn)生變形達到梁體的屈服荷載時所產(chǎn)生的變形狀態(tài)。如果橋梁產(chǎn)生屈曲變形，且屈曲因子不大于1時，為了減小這種屈曲變形，可以通過減小橋梁荷載來實現(xiàn)。當屈曲變形因子大于1時，為有效增大梁體的屈曲變形，可以通過增加橋梁的荷載來實現(xiàn)。

3.1 工程實例

本次選用某山區(qū)跨河路段的橋梁作為研究對象，橋梁半徑為80 m，采用鋼混疊合梁結構形式，橋跨選用35 m跨徑，梁體高度為170 cm，橋面頂板厚20 m，腹板寬20 cm，跨中梁體的翼板邊緣長25 cm，梁寬900 cm，底板采用波形鋼板，采用這種鋼混疊合梁結構形式在小半徑曲線段能夠很好的解決橋梁受力問題，在很大程度上增加了橋梁的跨越能力，由于組合后結構重量相對混凝土梁小，也能夠充分發(fā)揮梁體在耦合作用下優(yōu)勢，橋梁的自重減小，梁體施工中工藝較為簡單，有效避免了因梁體撓度過大產(chǎn)生裂縫，還能很好節(jié)約建設成本。

高速公路汽車速度較快，橋梁受力主要靠預應力筋承擔，產(chǎn)生影響較大，在曲線段預應力筋采用分批進行張拉，按照梁的受力曲線布置。鋼混疊合梁采用鋼波紋底板和混凝土結構進行組合，見圖1。

圖1 鋼混疊合梁斷面圖(單位：cm)

3.2 橋梁建模及計算

建立梁體midas Civil有限元模型，將梁體計算節(jié)點分成2 152個，結構單元分成2 015個，通過受力模型對梁體受力分析，橋梁單元模型結構見圖2。

圖2 midas Civil梁體結構模型

3.3 梁體受力結果分析

經(jīng)過Midas Civil建模分析，增加橫隔板能夠很好的改善橋梁的整體受力性能。以曲線匝道橋，曲線半徑r=80 m為研究對象，24.65 m、24.61 m為梁體的橫向連接系數(shù)，計算選取23.23 m。按照以下公式計算橫向分布系數(shù)η

η=

如果梁體實際值比假定理想狀態(tài)下取得設計值小，橫向的分布系數(shù)η>0零。梁體比理想狀態(tài)下設計值大，分布系數(shù)η<0。橫向力分布系數(shù)η的絕對值越大，橋梁橫向連接受力越敏感；橫向力分布力系數(shù)η的絕對值越小，橋梁橫向連接受力越不敏感。

假定以下三種理想狀態(tài)，計算橫向分布系數(shù)如表1所示。

理想狀態(tài)一：梁體橫隔梁連接很好；

理想狀態(tài)二：僅計算面板與橫隔板之間的連接剛度，忽略1#梁和2#梁橫隔板連接剛度；

理想狀態(tài)三：僅計算面板與橫隔板之間的連接剛度，忽略2#梁和3#梁橫隔板連接剛度。

表1 梁體的橫向分布系數(shù)計算表

從表1中可以看出：在小半徑曲線段對梁的橫向聯(lián)系依賴性較高，結構的穩(wěn)定性較差。

4 橋面板承載力分析

4.1 建立模型

選取5 m×2 m的橋面板作為研究對象，對其建立有限元模型，同時賦予混凝土本構模型，波紋鋼采用Q235鋼材，厚度取值為5 mm?；炷两Y構采用C50混凝土。簡支梁的約束條件為一個活動支座、一個固定支座[8]。

4.2 橋面板受力分析

為分析橋面板的受力特性和橋面板裂縫情況，因此在面板頂部施加集中力，大小為1 m2。沿橫斷面跨中位置豎向取點，距離橋面頂距離分別為0 m、0.05 m、0.1 m、0.175 m、0.25 m。在集中荷載作用下，橋面板跨中位置應變見圖3。

圖3 不同位置荷載變化圖

通過對圖3進行分析可知：橋面板底部開裂前，荷載與應變存在正相關變化。橋面板和波紋鋼折板受拉，橋面板頂部受壓。當荷載系數(shù)增大時，混凝土應變增長值增大，混凝土底部發(fā)生開裂現(xiàn)象。

4.3 橋面板參數(shù)分析

橋面板由C50混凝土和波形鋼板組成，材料設計參數(shù)對橋面板的承載能力有較大影響。因此通過對橋面板參數(shù)進行設計，得到較為合理的面板結構，使橋面板的承載能力得到提高。

(1)波紋鋼折板強度影響

將波紋鋼強度作為研究對象，通過調(diào)整荷載系數(shù)來分析橋面板的變化情況。選取鋼材分別為Q235、Q295、Q345、Q390、Q420，對橋面板的位移情況進行分析。

通過計算結果可知：荷載系數(shù)為0.63，Q235達到控制點；荷載系數(shù)為0.68，控制點在Q295；控制點在Q345，荷載系數(shù)為0.7；控制點在Q390，荷載系數(shù)為0.71；控制點在Q420，荷載系數(shù)為0.72(簡支梁最大撓度12.5 mm做為控制點)。不同型鋼增量曲線見圖4。

圖4 不同型鋼增量曲線圖

通過對圖4進行分析可知：在撓度控制下，鋼材增長最小的為Q235鋼材；鋼材增長最大的為Q420鋼材。但提高鋼材型號對橋面板承載能力并沒有較大程度提升。相反鋼材型號過大導致原材料浪費。

(2)波紋鋼折板厚度影響

通過對不同波形鋼板厚度進行分析，得到橋梁承載能力變化情況。波形鋼折板厚度取值分別為3 mm、5 mm、7 mm、9mm。通過有限元建立模型得到計算結果如下所示。

當3mm波紋鋼底板荷載系數(shù)為0.53時，撓度達到最高點；當5 mm波紋鋼底板荷載系數(shù)為0.64時，撓度達到最高點；當7 mm波紋鋼底板荷載系數(shù)為0.72時，撓度達到最高點；當9 mm波紋鋼底板荷載系數(shù)為0.75時，撓度達到最高點(簡支梁最大撓度12.5 mm做為控制點)。不同板厚增量曲線見圖5。

圖5 不同板厚增量曲線圖

通過對圖5進行分析可知：增加波紋鋼的厚度效果比強度更加明顯。波紋鋼折板由3 mm變化至5 mm時，波紋鋼承載力提高，提高數(shù)值為20%。當厚度由5 mm變化至9 mm時，承載力增量出現(xiàn)降低趨勢。該現(xiàn)象表明當鋼折板厚度為5 mm時，鋼材利用程度最高。

4 結 語

從受力出發(fā)研究，小半徑鋼混疊合梁橋的設計及施工過程，對小半徑曲線梁橋進行了系統(tǒng)全面的受力分析，根據(jù)工程實例建模進行研究，首先對梁的整體受力體系進行了分析，對于鋼混疊合梁結構受力特點進行分析總結發(fā)現(xiàn)，鋼混疊合梁能夠很好的改善曲線段橋梁扭矩較大的問題，減小了對梁體的不利影響，這種作用增加了梁的整體安全穩(wěn)定性，能夠很好的適應連續(xù)梁結構受力，小半徑曲線梁橋的鋪裝整體性和梁體的整體性對于改善橋梁結構有著重要的作用。經(jīng)過分析荷載撓度最大時，鋼混疊合梁曲線半徑為80 m，荷載撓度最小時，曲線梁的半徑為150 m。小半徑新型橋梁設計主要考慮橫隔板的受力影響，梁體的橫向分布系數(shù)用于評價橋梁設計的敏感性。