■游先輝

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福州 350000）

小半徑預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋模型試驗(yàn)及受力性能分析

■游先輝

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福州 350000）

本文結(jié)合某小半徑變截面曲線箱梁實(shí)橋，開展1∶10的細(xì)石混凝土模型試驗(yàn)，研究其在不利工況下的受力性能及應(yīng)力分布情況，并與MidasCivil空間有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以期對(duì)類似工程提供參考。

曲線梁橋 模型試驗(yàn) 有限元法 受力性能分析

0 引言

曲線梁橋作為現(xiàn)代交通系統(tǒng)中的一種重要橋型，相比于直線梁橋，對(duì)地形地貌的適應(yīng)性較強(qiáng)，更具有曲線結(jié)構(gòu)線條平順、流暢、明快、意境生動(dòng)的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。本文研究橋梁為六跨剛構(gòu)連續(xù)混合結(jié)構(gòu)，橋跨布置為31+49+3×144+86＝598m，主跨跨徑144m；主墩除2#墩采取墩梁固結(jié)形式外，均以活動(dòng)支座連接。邊跨采用半徑為70m的曲線連續(xù)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：曲線半徑?。▋H70m），跨度較大（達(dá)49m），主梁為變高度的單箱單室長(zhǎng)懸臂寬箱梁，此類結(jié)構(gòu)比較少見。鑒于邊跨曲線連續(xù)梁橋在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上的特殊性，加上受各種綜合因素的影響，使得該邊跨曲線結(jié)構(gòu)受力十分獨(dú)特而且復(fù)雜。本文結(jié)合實(shí)橋曲線邊跨，開展了1∶10的細(xì)石混凝土模型試驗(yàn)，研究其在不利工況下的受力性能及應(yīng)力分布情況，并與Midas Civil空間有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以期對(duì)類似工程提供參考。

1 工程概況

本橋?yàn)榱鐒倶?gòu)連續(xù)混合結(jié)構(gòu),橋跨布置為31+49+ 3×144+86＝598m，主跨跨徑144m，北側(cè)邊跨跨徑為（31+ 49）m，南側(cè)邊跨跨徑為86m。主梁采用單箱單室箱梁，寬度12m，設(shè)兩個(gè)行車道，行車道凈寬8m。主墩除2號(hào)墩采用墩梁固結(jié)形式外，均以活動(dòng)支座連接。

對(duì)于小半徑曲線邊跨結(jié)構(gòu)，主梁受力性質(zhì)發(fā)生根本變化，扭矩上升為控制性因素。主墩處采用剛構(gòu)固結(jié)的形式可以顯著降低主梁的扭矩大小，從而可以控制主梁的主拉應(yīng)力滿足規(guī)范的要求，同時(shí)避免了支座出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，限制了曲線邊支點(diǎn)的側(cè)移，防止了支點(diǎn)處扭矩的縱向傳遞。箱梁為單箱單室直腹板截面。主梁在邊跨現(xiàn)澆直線段梁高3.0m，在主墩處梁高為8.5m；箱梁高度和底板厚度按1.65次拋物線變化。直線段主梁屬常規(guī)結(jié)構(gòu)，而本橋小半徑曲線段出現(xiàn)在大跨度梁式橋整個(gè)邊跨，墩梁固結(jié)處兩側(cè)存在極不平衡的跨徑差（如圖1）。這種結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)沒有，在國(guó)外亦較為罕見。

圖1 烏龍江新建復(fù)線橋曲線邊跨

2 模型試驗(yàn)與有限元模擬

本試驗(yàn)針對(duì)北側(cè)曲線梁橋，開展全橋模型的靜力試驗(yàn)研究。研究最大懸臂施工階段以及邊跨合攏階段張拉預(yù)應(yīng)力鋼束過程中主梁關(guān)鍵截面內(nèi)頂板、底板和腹板的受力特征和應(yīng)力分布情況；分析不同斷面的應(yīng)力橫向分布情況，并通過比較模型試驗(yàn)結(jié)果和有限元數(shù)值仿真分析結(jié)果，檢測(cè)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的有效性和準(zhǔn)確性。

3 橋梁施工階段數(shù)值模擬與試驗(yàn)比對(duì)

3.1 空間有限元模型的建立

圖2 1∶10模型橋結(jié)構(gòu)一般構(gòu)造圖（單位：cm）

圖3 模型橋主梁混凝土應(yīng)變量測(cè)斷面布置圖（單位：cm）

為考慮直線段主跨對(duì)曲線段受力的影響，根據(jù)1∶10實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)尺寸圖（如圖2和圖3），,在進(jìn)行有限元分析時(shí)，分別建立了全橋有限元分析模型與模型橋有限元分析模型，如圖2所示。通過全橋模型的有限元分析獲得主跨在2#墩根部的作用效應(yīng)，按相應(yīng)的相似比例縮小后施加到模型橋的懸臂節(jié)段中，以考慮直線段主跨部分對(duì)曲線邊跨受力的影響。

圖4 全橋整體模型

3.2 最大雙懸臂狀態(tài)

本工況主要考慮施工至最大雙懸臂階段 （如圖5），張拉各預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)各控制截面的應(yīng)力分布情況。

圖5 最大雙懸臂模型

預(yù)應(yīng)力張拉過程中E斷面內(nèi)頂板內(nèi)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值隨預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉荷載的增加而增大，但并無明顯的線性關(guān)系，說明不同張拉荷載作用下鋼束的預(yù)應(yīng)力損失并非線性。斷面內(nèi)的應(yīng)變分布也很不均勻，箱梁內(nèi)存在明顯的剪力滯效應(yīng)，內(nèi)側(cè)、外側(cè)腹板對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變高于其它位置的應(yīng)變。數(shù)據(jù)表明，主梁根部截面頂板內(nèi)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，底板內(nèi)的實(shí)測(cè)應(yīng)變和理論應(yīng)變值均很小，說明根部截面考慮鋼筋影響后的實(shí)際剛度較理論值大得多。與E截面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，F(xiàn)截面的剪力滯效應(yīng)較小，如圖6和圖7所示。

3.3 最大雙懸臂狀態(tài)

合龍段內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束分三級(jí)（50kN、100kN、150kN）張拉，模型如圖8所示。

上頂板合龍鋼束各級(jí)張拉荷載作用下，主梁各主要觀測(cè)斷面的應(yīng)變分布情況如圖圖9～圖11所示?？梢钥闯?，在各級(jí)荷載作用下主梁各斷面的應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，但頂板內(nèi)應(yīng)變沿寬度方向的分布很不均勻，腹板位置的應(yīng)變一般較其他位置大，且各個(gè)截面內(nèi)的應(yīng)變分布形式也有較大的不同，存在明顯的剪力滯效應(yīng)。底板內(nèi)的應(yīng)變的實(shí)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出外側(cè)應(yīng)變大而內(nèi)側(cè)小的特點(diǎn)，這主要是由于箱梁的扭轉(zhuǎn)、豎向彎曲和橫向彎曲共同作用的結(jié)果。

圖6 E截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值的比對(duì)

圖7 F截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值的比對(duì)

圖8 曲線邊跨合擾階段模型

圖9 D截面頂板應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值比對(duì)

圖10 E截面頂板實(shí)測(cè)值與理論值比對(duì)

圖11 F截面頂板應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值

與工況1類似，由于前文所述的原因，導(dǎo)致控制斷面一些測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值存在一定的偏差，但總體來說，吻合適度較好，說明用空間梁?jiǎn)卧銮€梁橋空間分析是基本準(zhǔn)確可靠的，也說明本次試驗(yàn)方案基本合理，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也是基本可信的。

4 結(jié)論

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）預(yù)應(yīng)力張拉過程中各主要斷面的實(shí)測(cè)應(yīng)變值隨預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉荷載的增加而增大，但并無明顯的線性關(guān)系，說明不同張拉荷載作用下鋼束的預(yù)應(yīng)力損失并非線性。斷面內(nèi)的應(yīng)變分布也很不均勻，箱梁內(nèi)存在明顯的剪力滯效應(yīng)，內(nèi)側(cè)、外側(cè)腹板對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變高于其它位置的應(yīng)變。

（2）主梁根部截面頂板內(nèi)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，底板內(nèi)的實(shí)測(cè)應(yīng)變和理論應(yīng)變值均很小，說明根部截面考慮鋼筋影響后的實(shí)際剛度較理論值大得多。

（3）對(duì)A截面預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行分級(jí)張拉后，在各級(jí)荷載作用下，實(shí)測(cè)應(yīng)變值均大于理論計(jì)算值，表明該斷面附近鋼束的預(yù)應(yīng)力損失較理論值小，有效預(yù)應(yīng)力較大。

（4）1#墩附近B斷面在張拉鋼束過程中，鋼束張拉力較小時(shí)實(shí)測(cè)值大于理論值，但隨著張拉荷載的增大，實(shí)測(cè)值增加較理論值增加慢，說明實(shí)際的鋼束預(yù)應(yīng)力損失大于理論計(jì)算值。

（5）總的來說，本工況的張拉預(yù)應(yīng)力，懸臂段應(yīng)變較小，曲線現(xiàn)澆段應(yīng)變相對(duì)較大，截面的剪力滯效應(yīng)比較明顯。底板內(nèi)應(yīng)變的實(shí)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出外側(cè)應(yīng)變大而內(nèi)側(cè)較小的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)總體來說與理論值吻合適度較好，說明用空間梁?jiǎn)卧銮€梁橋空間分析是基本準(zhǔn)確可靠的，也說明本次試驗(yàn)方案基本合理，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也是可信的。

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