曲率半径变化对高墩大跨连续钢构桥静力性能的影响研究

陈龙明

摘要：随着我国高速公路的大规模建设，在中西部山区建造了多座高墩大跨径预应力混凝土连续刚构桥。受桥址处的地形、地貌的影响，或道路线形走向的限制，很多高墩大跨径连续刚构桥设置在曲线上。预应力混凝土连续刚构桥目前主要采用悬臂浇筑法施工，连续刚构桥施工时，桥梁不仅要经历T型刚构阶段形成主梁的过程，还要经历体系转换的过程，桥梁经历了复杂的受力过程。本文主要对曲率半径变化对高墩大跨连续钢构桥静力性能的影响进行了分析研究。

关键词：曲线连续刚构桥;静力力学性能;曲率半径

中图分类号：U445 文献标识码：A

引言

近年来随着我国高速公路的发展，尤其是山区高速公路的大规模建设开发，曲线桥由于其能够很好的克服地形、地貌的影响，或受道路线形走向限制，并能体现出建设投资经济、力学上、美学上的完美结合而得到广泛应用。这些曲线桥梁跨度大，有时要跨越深谷，客观上需要采用高墩、变高度箱梁等结构形式，并且桥宽也比一般的匝道桥宽，受空间地理条件的影响，也必须采用悬臂浇筑或拼装等施工方式。

一、工程概况

本文以某高速公路在建的一座大跨径曲线双薄壁高墩预应力混凝土连续刚构桥为研究对象。该桥主跨170m，跨径组成(95+170+95)m。全桥上下行分离，采用两幅桥梁，每幅主梁采用单箱单室变高度预应力混凝土箱梁，箱梁顶宽12.2m，底宽6.5m;箱梁根部梁高10.5m，跨中梁高3.6m，箱梁高度按1.8次抛物线变化;上部结构按全预应力混凝土结构设计，采用纵、横、竖三向预应力体系。主墩为矩形截面空心薄壁墩，墩高分别为62m和68m。该桥采用悬臂浇筑法施工，先进行下部结构施工，施工完成0号块节段后再对称向两侧悬臂施工，形成单“T”型刚构，先合拢边跨，再合拢中跨，完成桥梁上部结构施工。主梁施工时最大悬臂长度84m，其中0号块节段长16m，每个悬浇“T”型刚构纵向对称划分为21个节段，节段悬浇总长76m，边、中跨合拢段长均为2m，边跨现浇段长8.94m，在桥台旁搭设支架现浇施工。

二、有限元建模

采用MIDAS/Civil有限元软件进行计算，主梁采用变截面空间梁单元模拟，主墩采用一般空间梁单元模拟，预应力束采用施加预应力荷载模拟;施工过程中节段湿重、挂篮重量采用节点力和节点弯矩模拟;计算模型中按照规范规定考虑混凝土收缩、徐变效应和混凝土强度随时间增长效应。计算模型的边界条件为连续刚构桥的墩底采用固结模拟，墩梁采用弹性连接中的刚性连接实现;对于曲线刚构桥模型，分别定义桥台处支座节点的局部坐标轴，从而约束该节点的顺桥向位移和横桥向位移。采用满堂支架施工边跨现浇段时，根据连续梁的约束形式对现浇段进行约束，即约束1个节点的竖向和纵向位移，其余节点仅约束竖向位移。体系转换后，边跨现浇段支座处按照设计图纸支座情况模拟双支座，分别约束支座处节点的竖向位移和横向位移，其它节点约束释放;其中支座处节点和主梁节点采用主从节点连接，主梁节点为主节点。

三、曲率半径对桥梁静力力学性能的影响

分别建立该桥梁的直线刚构桥计算模型和圆曲线半径分别为1.5km，2km和2.5km的曲线刚构桥计算模型，对比分析直线刚构桥和曲线刚构桥在最大悬臂阶段和成桥状态下的静力力学性能。

1、横向弯矩、扭矩

以圆曲线半径为2km的曲线刚构桥为例，通过计算可以得出，主梁横向弯矩、扭矩主要由恒荷载(包括结构自重与施工阶段的临时施工荷载)与预应力钢束共同作用产生，其中，恒荷载作用最大，主梁横向弯矩和扭矩的最大值出现在墩顶两侧。直线刚构桥和不同曲率半径的曲线刚构桥主梁根部横向弯矩及弯矩计算结果见表1。

曲率半径/m 2号墩顶 3号墩顶

左侧薄壁墩 增大率/% 右侧薄壁墩 增大率/% 左侧薄壁墩 增大率/% 右侧薄壁墩 增大率/%

直桥 0 0 0 0

2500 －784．1 －800．1 －804．65 －785．32

2000 －984．4 20．347 －1007．07 25．868 －1007．07 25．156 －983．93 25．290

1500 －1312．46 24．996 －1342．68 33．325 －1342．68 33．325 －1311．83 33．326

表1最大悬臂状态时不同曲率半径桥梁主梁根部横向弯矩对比

由表1可以看出:直线刚构桥的主梁无横向弯矩，但曲线刚构桥随着曲率半径的减小主梁根部最大横向弯矩逐渐呈增大趋势，且增加幅度显著，最大增幅量为33.326%。这是由于曲线刚构桥是空间变化的结构，故曲率半径越小桥梁，其空间效应越明显，导致其主梁的横向弯矩越大。对于桥墩，因直线刚构桥在施工过程中桥墩没有横桥向偏位，故没有横向弯矩，而曲线刚构桥随着曲率半径的减小，主梁重心偏离桥墩中心距离越来越大，导致主梁和桥墩发生径向弯曲变形越来越严重，故桥墩横向弯矩逐渐增大。对比分析以上4种曲率半径的曲线刚构桥计算结果可以看出，桥墩的横向弯矩增长率较大，最大值达33.325%。在成桥状态，主梁根部的横向弯矩和桥墩的横向弯矩与最大悬臂状态有相似的规律。直线刚构桥主梁无横向弯矩，曲线刚构桥随着曲率半径的减小主梁根部最大横向弯矩有逐渐增大的趋势，增加幅度显著，最大值为24.963%，桥墩的横向弯矩最大增幅为24.966%。直线刚构桥和不同曲线半径的曲线刚构桥主梁根部扭矩计算结果如表2所示。

曲率半径/m 2号墩顶 3号墩顶

左侧薄壁墩 增大率/% 右侧薄壁墩 增大率/% 左侧薄壁墩 增大率/% 右侧薄壁墩 增大率/%

直桥 0 0 0 0

2500 －9833．07 10029．28 －9995．57 9844．82

2000 －12218．21 19．521 1

12498．11 19．754 －12498．1 20．023 12212．31 19．386

1500 －16290．01 24．996 16663．18 24．996 －16663．2 24．996 16282．15 24．996

表2最大悬臂状态时不同曲率半径桥梁主梁根部扭矩对比

由表2可以看出:主梁根部扭矩数值较大，比竖向弯矩小1个数量级。直线刚构桥主梁无扭矩，曲线刚构桥随着曲率半径的减小，主梁根部最大扭矩逐渐呈增大趋势，增加幅度显著，最大增幅为25%。成桥状态主梁根部最大扭矩随曲率半径的变化规律与最大悬臂状态时的计算结果类似，最大增幅为25%。

2、径向位移和扭转角

曲线刚构桥与直线刚构桥相比，会产生径向位移。产生径向变形的主要原因有:(1)由于曲线刚构桥存在曲率，使桥墩侧向受力不平衡，产生弯曲变形;(2)桥墩的柔性较大，例如本桥，桥墩为高度达68m的薄壁空心墩，在由梁体自重产生的竖向压力和弯矩作用下必然产生较大的变形;(3)桥墩顶墩梁固接，不能产生相对转角，梁体随着桥墩的弯曲变形会产生侧向翻转，从而减小了悬臂端的横向变形，故墩顶横向变形较悬臂端大。直线刚构桥和不同圆曲线半径的曲线刚构桥最大径向变形值如图4和图5所示。

图4最大悬臂状态时不同曲率半径桥梁最大径向位移对比

图5成桥状态时不同曲率半径桥梁最大径向位移对比

由图4和图5可以看出:随着桥梁曲率半径的减小，桥梁的最大径向变形整体上呈增大趋势，增加幅度较大，最大悬臂状态时最大增幅为25%，成桥状态时最大增幅为24.95%。说明桥梁弯曲程度越大，引起结构的横向变形效应越大。对于曲线刚构桥，扭转角主要由3部分组成:(1)由主梁自身扭转产生;(2)墩顶处弯曲使悬臂曲梁产生附加扭转角;3)由于几何曲率影响，悬臂曲梁的竖向弯曲也会使梁体产生外侧高内侧低的变形。

结束语

综合上述，为了确保曲线刚构桥成桥后内力和线形满足设计要求，在施工过程中需要预设预拱度;同时应对施工关键控制截面进行应力监控，确保桥梁施工质量和施工安全。

参考文献

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［2］李杰．大跨径PC连续刚构桥设计参数优化研究［D］．西安:长安大学，2003．

［3］齐林，黄方林，贾承林．连续刚构桥施工线形和应力的分析与控制［J］．铁道科学与工程学报，2007，4(2):29－33．