成橋狀態(tài)不同橋墩形式曲線剛構(gòu)空間受力分析

 成橋狀態(tài)不同橋墩形式曲線剛構(gòu)空間受力分析

　　【摘要】本文以某大橋?yàn)楣こ瘫尘埃�利用大型空間有限元程序ANSYS，針對單薄壁與雙薄壁兩種橋墩形式，對高墩大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)空間力學(xué)特性進(jìn)行分析，通過比較得出不同橋墩對全橋受力的影響差異，以及這種差異與曲率半徑的關(guān)系。為今后設(shè)計同類橋梁時橋墩形式的選擇，提供了相應(yīng)的參考建議。

　　關(guān)鍵詞：高墩曲線剛構(gòu)；橋墩形式；受力分析

　　1引言

　　在影響曲線剛構(gòu)橋受力的眾多因素中，曲率的影響是最明顯的。由于曲率的影響，曲線梁橋產(chǎn)生彎扭禍合效應(yīng)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，并且產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、徑向偏位等變形。對普通的曲線梁橋進(jìn)行分析時，單純考慮曲率對橋梁的影響是可以的，但對于高墩曲線剛構(gòu)這一曲線橋的特殊形式來說，僅僅考慮曲率是不夠的，應(yīng)該將其與橋墩形式結(jié)合起來研究。這樣才能綜合反映箱形截面上應(yīng)力的分布規(guī)律，體現(xiàn)彎曲、高墩連續(xù)剛構(gòu)的受力特性。

　　對高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)來說，懸臂澆筑和拼裝是目前采用的主要的施工方法。采用懸臂施工法，結(jié)構(gòu)通常要經(jīng)過兩次(或多次)體系轉(zhuǎn)化。但考慮混凝土長期徐變后結(jié)構(gòu)受力都會趨近于一次落架狀態(tài)，因此有必要了解成橋狀態(tài)的曲線剛構(gòu)的受力特性，本文主要分析不同橋墩形式并結(jié)合平面彎曲對成橋狀態(tài)下曲線連續(xù)剛構(gòu)的影響（限于篇幅僅分析豎向位移比較）。

　　本文以某高速公路大橋?yàn)楣こ瘫尘啊＠�用空間板殼有限元分析連續(xù)剛構(gòu)空間位移、應(yīng)力分布規(guī)律。模型跨徑、尺寸布置依據(jù)白洞河大橋，按中心線展開跨徑布置為75+2×135+75米，采用單箱單室截面，箱梁頂寬12.0米，底寬6.5米，兩側(cè)懸臂長度2.75米。墩頂處梁高7.5米，跨中梁高為3.0米，梁高從根部到跨中采用二次拋物線變化，主梁為C50混凝土，墩身為C40混凝土。模型示意如圖1所示�！　�

　　圖1R=300m時雙薄壁式曲線剛構(gòu)橋全橋計算模型

　　在上面的有限元模型中，橋墩墩底設(shè)置為固結(jié)約束，兩端橋臺處箱梁梁端端底線上各有兩個位移約束和扭轉(zhuǎn)約束，不同曲率和墩形式的計算模型，主梁跨徑布置、截面尺寸均相同;曲率分別取300m,600m,900m三種。

　　對于橋墩的選擇，本文中所有模型墩高均選定為100m;在形式上，由于山區(qū)橋梁墩高較高，從施工等各方面考慮，設(shè)計時一般不考慮采用“V”、“X”、“Y”形的橋墩，所以本文選取空心單薄壁墩和空心雙薄壁墩兩種常見墩形。在橋墩截面尺寸上，以截面面積相等為前提，保證橋墩工程量基本相等，具體尺寸見圖2(a)和2(b)。從方便施工考慮，很多時候空心雙薄壁墩間都不設(shè)系梁，故本文又將空心雙薄壁墩分為有系梁和無系梁兩種。其墩間的橫系梁厚度為1m，每個橋墩上共設(shè)三道，間距為25m�！　�

　　（a）雙薄壁（b）單薄壁

　　圖2空心壁墩截面（單位：cm）

　　2自重作用下結(jié)構(gòu)空間分析

　　2.1豎向位移比較　　

　　圖3R=300m時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中頂板豎向位移　　

　　圖4R=600時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中頂板豎向位移　　

　　圖5R=900m時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中頂板豎向位移　　

　　圖6直線時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中頂板豎向位移　　

　　圖7R=300m時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中底板豎向位移　

　　圖8R=600m時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中底板豎向位移　

　　圖9R=900m時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中底板豎向位移　

　　圖10直線時不同墩形剛構(gòu)中跨跨中底板豎向位移

　　由圖3~10中我們可以看出:①相同曲率半徑的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中截面的豎向位移與其所選擇的橋墩形式有著密切的關(guān)系。位移大小關(guān)系依次為:位移最小為單薄壁式;最大是雙薄壁式(無系梁)。在相同曲率的情況下，單薄壁式與雙薄壁式(有系梁)的跨中最大位移值較接近，平均值在5mm以內(nèi)。由于曲線梁的彎扭禍合特性，箱梁本身的內(nèi)外緣豎向位移存在著差值。雙薄壁式(無系梁)的內(nèi)外緣豎向位移差值較明顯，而單薄壁式則基本無差值。②對于選擇相同形式墩形的連續(xù)剛構(gòu)橋來說，跨中截面的豎向位移還隨著主梁曲率的變化而變化。以雙薄壁式(有系梁)為例:當(dāng)R=300m其跨中截面頂板的最大豎向位移為u=17.5cm,R=600m時u=15.6cm,R=904m時u=16.0cm、直線橋時u=15.8cm。其中，除R=300m以外，其他曲率下(包括直線)結(jié)構(gòu)的變形值十分接近。對于其他兩種墩形的剛構(gòu)橋，同樣滿足這樣規(guī)律。

　　總之，從各模型的計算結(jié)果來看，橋墩形式對曲線橋的整體豎向變形影響明顯。而且這樣影響與曲率半徑的有一定的關(guān)系，就本節(jié)的分析得出，當(dāng)R=300m時影響最大，由于墩形引起的位移差值達(dá)到了1.8cm;當(dāng)R為600m以上乃至直線橋時，這種影響穩(wěn)定在1.4cm，即當(dāng)R在600m以上時，曲率對曲線橋豎向變形影響很小。此外，橋墩形式對箱梁的扭轉(zhuǎn)變形同樣影響明顯。當(dāng)橋梁采用單薄壁墩時，無論在何種曲率半徑下，箱梁內(nèi)外緣豎向位移差值都幾乎為零;但其他兩種都存在著較明顯的差值。同樣，當(dāng)R=300m,箱梁內(nèi)外緣豎向位移差值最大〔見圖3);當(dāng)R在600m以上趨于穩(wěn)定，即扭轉(zhuǎn)變形不隨曲率變化而增加。

　　分析原因，關(guān)鍵在于橋墩剛度的影響。三種墩的橫截面雖然面積相同，但通過計算得到單薄壁式的剛度最大;兩種雙薄壁式雖然計算上剛度相等，但系梁增加了兩個薄壁的連接性，客觀上增加了剛度。三種不同墩形的剛構(gòu)橋的變形差異，就是橋墩剛度差異的體現(xiàn)。

　　2.2徑向位移比較

　　用同樣的方法進(jìn)行徑向唯一比較分析，可以得到相應(yīng)的位移距離圖，曲線橋的徑向偏位同時受到橋墩形式和曲線主梁曲率的影響。其中相同的半徑下，不同墩形引起的徑向變形不同。兩種雙薄壁墩對應(yīng)的徑向偏位是面向平曲線內(nèi)側(cè)，單薄壁式則是面向平曲線外側(cè)。而相同墩形下，曲率越小，徑向偏位越大，這個規(guī)律適應(yīng)于上述三種墩。對于曲線梁體產(chǎn)生徑向偏位的原因在于墩頂部位分配了主梁的部分扭矩，產(chǎn)生向平曲線的橫向彎曲，并帶動了主梁的徑向偏位。

　　對于直線橋，則不存在徑向偏移的問題，而本文對直線橋也做了相應(yīng)的計算，結(jié)果

　　也驗(yàn)證了直線橋沒有徑向偏移。

　　2.3應(yīng)力比較分析　

　　圖11300米半徑下單薄壁式墩剛構(gòu)頂板上緣正應(yīng)力云圖(單位Pa)　　

　　圖12300米半徑下單薄壁式剛構(gòu)底板下緣正應(yīng)力云圖(單位Pa)

　　由圖11和圖12可以得到不同半徑時剛構(gòu)中跨跨中底板正應(yīng)力圖，通過比較這些分析圖可以發(fā)現(xiàn)采用不同曲率和墩形的變截面曲線剛構(gòu)橋中跨跨中截面正應(yīng)力分布特點(diǎn)。對于相同曲率、不同橋墩形式的曲線剛構(gòu)，其跨中截面頂板正應(yīng)力的最大絕對值很接近，約為-8000000pa，即橋墩形式對跨中截面的頂板正應(yīng)力影響很小:而與之相反，它們之間的底板正應(yīng)力卻差別較大，其極值相差近1Mpa。另外，隨著曲率半徑的變化，橫截面上頂板內(nèi)外緣的正應(yīng)力也隨之變化，且曲率愈小，頂板內(nèi)外緣正應(yīng)力差值愈明顯，對于不同的墩形這一規(guī)律都適用。究其原因，歸于彎扭禍合效應(yīng)的存在。

　　高墩連續(xù)剛構(gòu)橋之所以采用空心墩這種墩形，就是為了減少墩身的抗推剛度，以達(dá)到較小的墩頂負(fù)彎矩的目的。所以除了研究中跨跨中截面的應(yīng)力之外，本文還將就主墩中截面的應(yīng)力狀況進(jìn)行分析。通過分析可以得到，在上述任何同一的曲率半徑下(包括直線橋)，由于大橋采用的墩形不同，其主墩0號塊中截面上的正應(yīng)力也不相同，但它們都具有相同的變化規(guī)律，即:無論是針對頂板或底板，單薄壁式對應(yīng)的正應(yīng)力最小，然后是雙薄壁(有系梁)、雙薄壁(無系梁)。這說明對于截面面積相同的空心墩來說，單薄壁式對減小墩頂彎矩作用較明顯。此外，曲率對于0號塊中截面上頂板的正應(yīng)力的影響也同樣有規(guī)律。與跨中截面相同，曲率愈小，橫截面內(nèi)外緣的應(yīng)力差值愈明顯，且它與墩形無關(guān)。而與跨中截面所不同的，中截面是內(nèi)緣大于外緣，這正好與跨中截面相反。

　　3結(jié)論

　　成橋階段自重作用下，曲線連續(xù)剛構(gòu)跨中撓度比相同跨徑直線橋的跨中撓度大。這主要是因?yàn)榍�線梁彎扭禍合的作用，自重作用產(chǎn)生的彎矩引起扭矩，扭矩又使得曲線梁跨中彎矩增大，從而使曲線橋產(chǎn)生較直線橋大的豎向位移，并有徑向位移產(chǎn)生。成橋階段的自重作用下，連續(xù)剛構(gòu)受曲率影響，產(chǎn)生彎扭禍合效應(yīng)，內(nèi)外側(cè)腹板應(yīng)力存在差別，而且截面應(yīng)力橫向分布的不均勻性和應(yīng)力的均值都大于直線箱梁。

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