曲線連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工過程分析

錢 立

（中國市政工程西南設(shè)計研究總院，四川成都 610081）

摘  要：文章利用空間有限元分析了曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中的內(nèi)力和變形，對平面曲線上修建連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋提供了若干建議，供實際設(shè)計中參考。

關(guān)鍵詞：平面曲線；連續(xù)剛構(gòu)橋；內(nèi)力；變形

中圖分類號： U44      文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

   1 簡介

       本文就曲線連續(xù)剛構(gòu)（梁）橋的空間受力情況及其主要的影響因數(shù)進(jìn)行了分析，并提出了一些具體的設(shè)計建議。

       在計算分析中，本文以跨徑為45m+75m+45m的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋為模型，結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)如下：箱梁頂板寬12m，懸臂2m。頂板厚度25cm；頂板厚度30-60cm，按直線變化；腹板厚度50cm。箱梁高度從根部處的4.2m變化到跨中的1.8m,底板高度按R=195.002m的圓曲線變化。為簡化起見,在建模中未考慮梗掖部分的影響，截面形式見圖1。

圖1 主梁截面示意圖/cm

       建模采用四節(jié)點殼單元。單元可以承受平面荷載和法向荷載,每個單元有4個節(jié)點,每個節(jié)點具有6個自由度，單元可以定義為變厚度。為了得到較好的分析結(jié)果,在進(jìn)行單元劃分時,盡量使單元尺寸較接近,全橋主梁截面共劃分為900個單元。

 建模分析時，橋梁曲率半徑分別按200m、300m、400m、500m分析比較。同時墩高分別按為55m、27.5m和不考慮墩高的影響進(jìn)行比較。

 為了便于對結(jié)果進(jìn)行比較,本文選取了箱梁根部截面作為應(yīng)力計算截面，施工過程的最大懸臂端部截面作為位移計算截面。

2 影響撓度的主要因素

（1）曲率的影響

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在懸臂施工時，由于彎扭耦合效應(yīng)，截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，過大的扭轉(zhuǎn)角造成箱梁截面內(nèi)、外緣的撓度差值較大，不容忽視。施工分析中取墩最大懸臂的情況。圖2到圖3所示為最大懸臂狀態(tài)及二期恒載階段曲率半徑對梁體變形的影響（墩高為55m ）

從圖2中可以看出，在恒載作用下，曲線橋最大懸臂狀態(tài)的撓度比同跨徑直線橋大，箱梁向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)。當(dāng)曲率半徑減小時，箱梁的扭轉(zhuǎn)角增大，截面內(nèi)外緣的撓度差值明顯加大。當(dāng)曲率半徑為500m時，截面內(nèi)外側(cè)的撓度差為0.21cm；曲率半徑為200m時,撓度差為0.52cm

圖3 二期恒載作用下最大懸臂處底板截面位移

表1列出了各種半徑的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在邊跨合攏階段、中跨合攏階段相應(yīng)截面產(chǎn)生的撓度，這些階段的撓度均遠(yuǎn)小于懸臂狀態(tài)產(chǎn)生的撓度，曲線橋內(nèi)外側(cè)撓度差較小。

表1 邊跨和中跨合攏階段最大懸臂處底板截面位移/mm

在邊跨合攏階段自重作用下，中跨最大懸臂處截面產(chǎn)生向上位移，箱梁梁體在中跨仍然向內(nèi)扭轉(zhuǎn)；梁體在邊跨向外扭轉(zhuǎn)。在中跨合攏時，箱梁梁體發(fā)生向外弧側(cè)的扭轉(zhuǎn)，但截面內(nèi)外緣的撓度差較小。由圖3所示，在二期恒載作用下，曲線橋向外扭轉(zhuǎn)，與懸臂施工時相反，但扭轉(zhuǎn)角很小。

綜上所述，懸臂施工的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋（梁）橋，在其自重作用下的變形主要發(fā)生在懸臂施工階段，邊跨合攏階段、中跨合攏階段和二期恒載作用下變形比較小，且其內(nèi)外弧側(cè)撓度差也比較小。另外，在合攏之前，箱梁存在向內(nèi)弧側(cè)扭轉(zhuǎn)的變形，而一旦合攏后及二期恒載作用下則發(fā)生向外弧側(cè)扭轉(zhuǎn)，是有利于減小箱梁扭轉(zhuǎn)變形的。

（2）墩高的影響

在連續(xù)剛構(gòu)橋中橋墩一般采用雙薄壁柔性墩的形式。雙薄壁墩雖然減小了墩在順橋向的剛度，但同時也相應(yīng)減小了橫橋向的剛度。對于直線橋，施工過程中箱梁沒有扭矩產(chǎn)生，橋墩橫橋向剛度的減小對主梁變形影響較小。但曲線橋梁在自重作用下將發(fā)生扭轉(zhuǎn)。從而使橋墩產(chǎn)生橫橋向的彎曲。所以，橋墩橫橋向剛度的減小將會加大梁體的扭轉(zhuǎn)變形。

表2列出了曲率半徑為200m、300m、400m和500m時，上述5種情況箱梁內(nèi)外弧的撓度差。由表2可見，一方面，隨曲率半徑的增大，變形值變小，另一方面當(dāng)橋墩的剛度增大時，箱梁內(nèi)外弧的撓度差也可以得到改善，當(dāng)采用變截面后提高了橋墩的橫向剛度，梁體內(nèi)外側(cè)的撓度差減小，梁體的扭轉(zhuǎn)程度得到控制。

表2 不同橋墩情況下最大懸臂截面變形值/cm

3 施工過程截面應(yīng)力的變化情況

在施工過程中，懸臂根部截面為最不利受力截面，所以選擇懸臂根部截面進(jìn)行比較。

表3列出了最大懸臂狀態(tài)時，懸臂根部處截面頂板的正應(yīng)力變化。邊跨合攏段和中跨合攏段對墩頂截面產(chǎn)生的應(yīng)力值很小，本文中未列出。為尋求規(guī)律，以R=200m、R=300m、R=400m、R=500m和直線橋情況建立計算模型，墩高為55m。從表3可知，懸臂根部截面頂板承受負(fù)彎矩和扭矩，頂板截面正應(yīng)力為拉應(yīng)力，其內(nèi)弧一側(cè)的拉應(yīng)力在懸臂根部截面大于外弧一側(cè)的應(yīng)力值。隨著向懸臂端部延伸，截面的扭矩逐漸減小。截面內(nèi)外弧的應(yīng)力差值也隨之減小。同時隨著曲率半徑的減小，截面頂板正應(yīng)力的不均勻程度逐漸加大。在懸臂根部處正應(yīng)力差值由0.62MPa增大到1.55MPa。這表明了隨著曲率半徑的減小，曲線橋的彎扭耦合效應(yīng)增大。

表3 最大懸臂狀態(tài)時根部截面頂板正應(yīng)力值/MPa

從表4可知，在自重作用下，懸臂根部截面底板正應(yīng)力為壓應(yīng)力。與頂板正應(yīng)力同樣是內(nèi)弧側(cè)的正應(yīng)力大于外弧側(cè)的應(yīng)力值。同樣隨著曲率半徑的減小，截面底板正應(yīng)力的不均勻程度也逐漸加大。在懸臂根部處正應(yīng)力差值由1.58MPa增大到3.95MPa。其不均勻程度較頂板更為嚴(yán)重。曲線橋的彎扭耦合效應(yīng)對底板應(yīng)力的影響更大。

表4 最大懸臂狀態(tài)時根部截面底板正應(yīng)力值/MPa

在二期恒載作用下，根部截面的應(yīng)力分布比較均勻與直線橋相差微小。主要是應(yīng)為二期恒載較主梁自重小，且成橋后，主梁的抗扭剛度已經(jīng)增大。

結(jié)語

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中的變形控制是關(guān)鍵，懸臂階段梁體變形占了梁體自重變形的絕大部分。二期恒載作用下，梁體的變形比較小，且與直線橋相差不大。由于施工過程中梁體的變形既有撓度又有扭轉(zhuǎn)，且具有不可恢復(fù)性，所以控制施工過程中的變形，特別是懸臂施工階段的變形，對確保成橋線性至關(guān)重要。在設(shè)計和施工，需要考慮設(shè)置撓度和扭轉(zhuǎn)角預(yù)拱度。成橋后，梁體的抗扭剛度較懸臂施工階段大，曲率對橋梁結(jié)構(gòu)的影響不如懸臂階段明顯。

從前面的分析中可以看出影響梁體的扭轉(zhuǎn)變形的主要因數(shù)是曲率半徑的大小和墩的橫向剛度。曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在合攏的過程中扭轉(zhuǎn)將導(dǎo)致在合攏時梁體空間位置的偏差，若在施工過程中對多個懸臂T構(gòu)的扭轉(zhuǎn)預(yù)測不夠，將難以保證梁體在容許誤差范圍內(nèi)合攏，不但增加了施工的難度，而且將影響成橋線性。

與一般的曲線梁橋不同，懸臂施工過程中的曲梁梁體在自重作用下呈向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)，而合攏以后則變成向外側(cè)扭轉(zhuǎn)，所以在合攏時需要預(yù)留一定的向內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)的變形，以抵消合攏在二期恒載作用下的梁體向外側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形。

考慮到墩橫向剛度對曲線橋扭轉(zhuǎn)變形的影響，在設(shè)計時應(yīng)考慮采用較小的墩高，或在構(gòu)造上加大橋墩的橫向剛度，如采用變截面，以保證在橫向剛度增加的同時，不過大影響縱向剛度的措施，也是一種可行的辦法。