代征軍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

曲率半徑對小半徑曲線梁橋的內(nèi)力影響研究

代征軍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

為了研究曲率半徑對曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力的影響，文章以某預應力混凝土曲線梁橋作為研究對象，采用有限元計算法，通過設(shè)置三種不同曲率半徑的彎橋方案，分別分析結(jié)構(gòu)在恒載、活載及組合作用下的受力規(guī)律，找出最不利的影響因素，提出相應的解決方案，為曲線梁橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一定的參考。

曲率半徑；預應力混凝土；曲線梁橋；有限元

0 引 言

由于曲線梁橋的適應性較強，能夠滿足各種彎曲路線總體的需求，該橋型在城市道路及高速公路建設(shè)中得到越來越廣泛的應用[1-3]。研究表明，曲線梁橋在曲率半徑的影響下，會產(chǎn)生較為明顯的彎扭耦合作用[1-10]，從而導致該橋型出現(xiàn)各種不利的結(jié)構(gòu)病害。

曲率半徑是曲線梁橋受力的最主要的控制因素之一[1，6-7]，隨著曲率半徑的增大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的不利作用越來越明顯，為了詳細研究曲率半徑在結(jié)構(gòu)受力中的影響，本文以某五跨預應力混凝土連續(xù)梁橋作為研究對象，設(shè)置三種不同的曲梁半徑方案，以單純扭轉(zhuǎn)理論[1，6，9-10]為基礎(chǔ)，建立空間梁元[5，7]模型，分別計算恒載、活載及組合作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應及變形大小，從而找出不同曲率半徑下的最不利受力影響因子，提出一定的解決方案，為曲線梁橋設(shè)計提供指導。

1 工程概況及研究方案

本文以某一互通匝道橋的第一聯(lián)為研究對象，該聯(lián)為預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為5×25 m，梁高為1.5 m，單箱雙室結(jié)構(gòu)，橋梁的跨中橫斷面如圖1所示。

為了有效反映曲率半徑對結(jié)構(gòu)受力的影響，對該橋梁擬定了三種曲梁半徑，即：方案一：R=180 m；方案二：R=120 m；方案三：R=90 m。

圖1 曲線梁橋跨中橫斷面

2 計算結(jié)果

研究表明，在采用單純扭轉(zhuǎn)理論中的平截面假定[1,6,8]時，曲率變化對結(jié)構(gòu)的豎向彎矩影響不大，因此，本次計算重點研究各種工況下不同半徑的曲梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)作用、橫向彎矩效應及支座反力變化規(guī)律，找出各種效應的最不利影響因子，提出一定的解決措施。

2.1 扭矩計算結(jié)果

三種半徑的曲梁結(jié)構(gòu)在恒載、活載、預應力及基本組合作用等工況下的扭矩計算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，在活載作用下，曲梁結(jié)構(gòu)的曲率半徑變化對結(jié)構(gòu)所受的扭矩大小影響很小，其值基本不變；在恒載、預應力荷載及組合作用下，曲梁結(jié)構(gòu)所受到的扭轉(zhuǎn)作用隨曲率半徑的增加而增大；在組合作用下，曲梁結(jié)構(gòu)的梁端及支點處受到的扭轉(zhuǎn)作用最大。由以上可知，在設(shè)計時應注重曲梁端部及支點的設(shè)計，可采取加大橫梁尺寸等措施來減少結(jié)構(gòu)端部及支點的扭轉(zhuǎn)作用。

2.2 扭轉(zhuǎn)變形計算結(jié)果

三種半徑的曲梁結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的最不利扭轉(zhuǎn)位移計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同曲率半徑下的曲梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)圖

圖3 不同曲率半徑下的曲梁結(jié)構(gòu)橫向彎矩圖

由圖3可以看出，幾種曲率半徑條件下，各主梁的扭轉(zhuǎn)變形作用隨著曲率半徑的增大而增加，主梁結(jié)構(gòu)在不同荷載工況作用下，邊跨的扭轉(zhuǎn)變形最大，因此設(shè)計中要著重考慮到曲梁結(jié)構(gòu)邊跨的扭轉(zhuǎn)效應。

2.3 橫向彎矩計算結(jié)果

本次研究僅對三種方案在各種荷載工況下的結(jié)構(gòu)橫向彎矩進行計算，其計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同曲率半徑下的曲梁結(jié)構(gòu)橫向彎矩圖

由圖4可看出，曲梁結(jié)構(gòu)在幾種荷載工況下的橫向彎矩隨著曲率半徑的增加而逐漸變大，通過對比圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)可發(fā)現(xiàn)，預應力荷載對曲梁結(jié)構(gòu)的橫向受彎影響最大，活載與恒載影響相對較小，但變化趨勢均相同。由此可知，預應力荷載在主梁的橫向蠕變中起到關(guān)鍵作用，在對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時需要著重考慮該因素的不利作用，必要時可減小跨徑，取消預應力，采用普通鋼筋混凝土曲梁結(jié)構(gòu)。

2.4 支承反力計算結(jié)果

本次研究僅分析三種方案在基本組合作用下的支承反力變化規(guī)律，其計算結(jié)果如表1所列。

表1 不同曲率半徑下的結(jié)構(gòu)支承反力計算 kN

由表1可知，隨著曲率半徑的增加，曲梁結(jié)構(gòu)各個墩臺的支座反力均出現(xiàn)內(nèi)側(cè)變小、外側(cè)變大的趨勢，且變化趨勢較為明顯，由此可知，在曲率半徑達到一定極限值時，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)支座反力有可能出現(xiàn)負值，最終導致結(jié)構(gòu)向外側(cè)翻。為避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)翻，設(shè)計時需根據(jù)實際計算結(jié)果設(shè)置一定規(guī)格的抗拉支座。

3 結(jié) 論

(1) 隨著曲率半徑的增加，曲梁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應逐漸增大，其中，梁端及支點的扭轉(zhuǎn)效應相對于其他部位更為不利，在設(shè)計時，可采取加大橫梁尺寸等措施來減少結(jié)構(gòu)端部及支點的扭轉(zhuǎn)作用。

(2) 曲梁結(jié)構(gòu)的預應力荷載是導致梁體橫向蠕變中起到關(guān)鍵作用的因素，設(shè)計時需要著重考慮該因素的不利影響，必要時可采取減小跨徑，將梁體設(shè)計為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(3) 隨著曲率半徑的增加，支座反力呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)減小、外側(cè)增大的趨勢，當達到一定程度時，會導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)翻，為避免該類問題的出現(xiàn)，設(shè)計時需根據(jù)實際計算情況設(shè)置一定規(guī)格的抗拉支座。

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2016-10-10；修改日期：2016-10-12

代征軍(1975-)，男，安徽含山人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司高級工程師．

U448.42

A

1673-5781(2016)05-0589-03