劉凱樂(lè) 占雪芳

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 概述

到目前為止國(guó)內(nèi)外有多起曲線橋事故，輕則導(dǎo)致梁平移以及裂縫的出現(xiàn)，嚴(yán)重則致使橋梁坍塌。位于新西蘭新市場(chǎng)的一座預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁高架橋，由于日照作用梁體產(chǎn)生很大的溫差致使該橋損毀嚴(yán)重，不得不重新修復(fù)[1]。同樣，國(guó)內(nèi)也有類(lèi)似的情況發(fā)生，深圳的一座混凝土互通式立交橋在日照作用下突然產(chǎn)生曲線外側(cè)的整體位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，致使交通中斷，所幸沒(méi)有造成重大的人身傷亡事故[2]。2019年10月，江蘇一座獨(dú)墩曲線連續(xù)橋由于單側(cè)超載導(dǎo)致橋面發(fā)生滑落和傾覆。曲線梁橋由于墩梁未固結(jié)，在溫度荷載和超載作用下梁體易發(fā)生傾覆，是一種脆性破壞。若將其改造為墩梁固結(jié)的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋，將擁有更高的抗傾覆和滑落能力。

曲線梁橋在溫度作用下的內(nèi)力與變形,國(guó)內(nèi)外橋梁工作者做了大量的研究工作。KM Sennah[3]在文獻(xiàn)中指出溫度變化引起曲線橋平面內(nèi)的位移是弧段膨脹或收縮性質(zhì)的位移,在橋梁活動(dòng)端將引起和橋軸線相垂直的位移分量,此位移使伸縮縫的活動(dòng)在構(gòu)造上會(huì)發(fā)生困難。同時(shí),加拿大安大略省公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范也指出,曲線梁橋發(fā)生溫度變形時(shí)會(huì)發(fā)生兩個(gè)方向的位移分量:沿橋軸向方向的位移分量和沿橋軸線垂直方向的橫向分量[4-10]。

但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)在溫度作用下內(nèi)力與位移分析較少，為了解曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度效應(yīng)。本文以新疆某擬建大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔ㄟ^(guò)與同等跨徑曲線連續(xù)梁橋的溫度效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的抗傾覆能力。

2 工程概況

某擬建大跨徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋位于新疆省烏魯木齊市，全長(zhǎng)(82+4×150+82)m，主跨150 m，橋面寬15 m，主梁采用C55混凝土，支點(diǎn)梁高9.5 m，跨中梁高為3.8 m，如圖1所示。橋位隸屬中溫帶大陸性干旱氣候，7月、8月最熱，平均氣溫25.7 ℃；1月最冷，平均氣溫-15.2 ℃。

3 橋梁模型簡(jiǎn)介

3.1 大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋模型

用空間梁?jiǎn)卧⒘诵陆當(dāng)M建橋的成橋階段模型如圖2所示，共劃分了698個(gè)梁?jiǎn)卧?09個(gè)節(jié)點(diǎn)，該橋的曲率半徑為1 600 m，箱梁采用C55混凝土，混凝土熱膨脹系數(shù)α為1×10-5，彈性模量取為3.53×104MPa。

3.2 大跨曲線連續(xù)梁橋模型

同時(shí)建立了一座同等跨徑的曲線連續(xù)梁橋模型作為對(duì)比分析對(duì)象，其基本參數(shù)與曲線連續(xù)剛構(gòu)橋相同。該橋模型如圖3所示，共劃分了178個(gè)梁?jiǎn)卧?79個(gè)節(jié)點(diǎn)，該橋曲率半徑也是1 600 m。唯一不同的是曲線連續(xù)梁橋通過(guò)支座傳遞與墩之間的相互作用力。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.1 溫度作用

分析的溫度作用主要包括；系統(tǒng)升降溫，溫度梯度變化。由于該擬建橋位于新疆地區(qū)，依據(jù)JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，溫度作用荷載如表1所示。

表1 新疆地區(qū)溫度 ℃

通過(guò)分別施加各種溫度作用工況，對(duì)比各種工況下梁?jiǎn)卧S向應(yīng)力，最大主應(yīng)力(主拉應(yīng)力)，最小主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)以及各種位移。

4.2 應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.2.1系統(tǒng)升溫作用

單元22,56,90,123,157是曲線連續(xù)剛構(gòu)橋與曲線連續(xù)梁橋的支點(diǎn)單元。系統(tǒng)升溫時(shí)，兩橋的軸向應(yīng)力、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和豎向、徑向、切向位移對(duì)比結(jié)果如圖4所示(應(yīng)力以拉為正，豎向位移以向下為正，切向、徑向位移以向內(nèi)為正)。

從圖4a)來(lái)看，系統(tǒng)升溫后，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋全截面受壓，由于梁墩固結(jié)，應(yīng)力容易集中，其最大軸向壓應(yīng)力為0.26 MPa，略高于曲線連續(xù)梁橋。

從圖4b),圖4c)來(lái)看，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋與曲線連續(xù)梁橋的主應(yīng)力變化趨勢(shì)基本保持一致。系統(tǒng)升溫后，梁體從溫度中心(單元91附近)向兩側(cè)膨脹，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋最大、最小主應(yīng)力都在單元32以及單元148(兩次邊跨靠近跨中處)達(dá)到極值，分別為1.3 MPa(拉應(yīng)力)和-1.61 MPa(壓應(yīng)力)。而曲線連續(xù)梁橋最大、最小主應(yīng)力都在單元8以及單元172(兩邊跨靠支點(diǎn)處)達(dá)到極值，分別為0.90 MPa(受拉)和-1.24 MPa(受壓)。曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的最大、最小主應(yīng)力的絕對(duì)值都要比曲線連續(xù)梁橋大，可以看出曲線連續(xù)剛構(gòu)受系統(tǒng)升溫的影響更大。

從圖4d)來(lái)看，由于沒(méi)有考慮曲線連續(xù)梁橋的支座變位及橋墩的影響，其豎向位移基本保持不變?yōu)?；而曲線連續(xù)剛構(gòu)橋由于考慮梁墩的系統(tǒng)溫升作用在節(jié)點(diǎn)35和節(jié)點(diǎn)145(兩次邊跨跨中處)處豎向位移最大56.0 mm，中間梁體的豎向位移基本保持平穩(wěn)，持續(xù)在42.0 mm～47.0 mm。

從圖4e),圖4f)看，由于曲線連續(xù)剛構(gòu)橋梁墩固結(jié)共同承擔(dān)溫度引起的側(cè)向變形，因此曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的徑向、切向位移均小于曲線連續(xù)梁橋，且曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的切向、徑向位移沿溫度中心對(duì)稱(chēng)分布，而曲線連續(xù)梁橋的切向、徑向變形是逐漸向外增大的。曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的最大切向位移比曲線連續(xù)梁橋減少了1.6倍，最大徑向位移減少了1.5倍，溫度中心處最小差值在10 mm左右。結(jié)果說(shuō)明曲線連續(xù)剛構(gòu)橋由于梁墩固結(jié)增強(qiáng)了其抵抗系統(tǒng)整體升溫梁體側(cè)翻的能力，也解釋了深圳華強(qiáng)北立交橋倒塌的原因。

4.2.2系統(tǒng)降溫作用

系統(tǒng)降溫時(shí)，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋和曲線連續(xù)梁橋的受力與系統(tǒng)升溫時(shí)的變化規(guī)律基本保持一致，只是受力方向和位移變化方向相反。

4.2.3溫度梯度(升溫)作用

從圖5a)來(lái)看，溫度梯度升溫后，梁橋的變化規(guī)律與系統(tǒng)升溫相同，但數(shù)值減少較多，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的最大軸向壓應(yīng)力為0.012 MPa。

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋與曲線連續(xù)梁橋的主應(yīng)力變化趨勢(shì)基本保持一致，所以就沒(méi)有擺出圖來(lái)。溫度梯度升溫后，兩座橋最大、最小應(yīng)力都在每跨橋的跨中達(dá)到極值，最大值分別為1.55 MPa(拉應(yīng)力)和-4.7 MPa(壓應(yīng)力)。

從圖5b)來(lái)看，兩橋的豎向位移變化規(guī)律基本一致，且在個(gè)別點(diǎn)曲線連續(xù)梁的豎向變形略大于曲線連續(xù)剛構(gòu)橋，因此梁墩固結(jié)對(duì)抵抗溫度梯度荷載的作用是有益的。

從圖5c),圖5d)來(lái)看，溫度梯度升溫引起的兩梁橋切向、徑向位移較整體升溫很小，且變化規(guī)律與系統(tǒng)升溫基本一致。

4.3 溫度梯度(降溫)作用

溫度梯度降溫時(shí)，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋和曲線連續(xù)梁橋的受力與溫度梯度升溫時(shí)的變化規(guī)律基本保持一致，只是受力方向和位移變化方向相反。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)同跨徑的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋與曲線連續(xù)梁橋在溫度荷載作用下的受力性能進(jìn)行分析，對(duì)比了在四種常見(jiàn)的溫度荷載(系統(tǒng)升降溫，溫度梯度變化)作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及位移曲線，得到以下結(jié)論：

1)系統(tǒng)升降溫時(shí)，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋由于梁墩固結(jié)，其軸向應(yīng)力、主應(yīng)力和豎向變形均高于曲線連續(xù)梁橋，但梁體切向和徑向位移均小于曲線連續(xù)梁橋。

2)溫度梯度升降溫時(shí)，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的梁墩固結(jié)對(duì)其軸向應(yīng)力、最大、最小主應(yīng)力和豎向變形影響不大，但對(duì)梁體切向和徑向位移的影響較大，均遠(yuǎn)小于曲線連續(xù)梁橋。

3)以上結(jié)果表明溫度對(duì)曲線連續(xù)梁橋和曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的受力有較大的影響，對(duì)比分析結(jié)果表明曲線連續(xù)剛構(gòu)由于梁墩固結(jié)，顯著的減少了溫度引起的梁體的切向、徑向變形，應(yīng)力分布更加均勻，且曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的墩、梁、基礎(chǔ)三者固結(jié)、方便施工，滿(mǎn)足“少支座少伸縮縫”的要求，高橋墩的設(shè)計(jì)也減小了溫度應(yīng)力以及切向、徑向位移的影響，因此推薦對(duì)于大跨徑曲線梁橋采用曲線連續(xù)剛構(gòu)型式。