预应力混凝土曲线箱梁桥试验研究

黄伟，吴泽

（安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032）

预应力混凝土曲线箱梁桥试验研究

黄伟，吴泽

（安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032）

设计4种荷载工况并合理布置测点，对预应力混凝土曲线箱梁桥进行实桥载荷试验，同时进行有限元建模分析，并将试验结果和有限元模拟结果进行比较。实桥载荷试验结果表明在对称荷载作用下曲线箱梁桥跨中截面内侧应力大于外侧应力；通过有限元模型对不同曲率曲线梁桥剪力滞效应的分析结果表明：跨中截面剪力滞系数在不同曲率下均为外侧小、内侧大的非对称分布，且随着曲率半径减小，非对称分布特征越加明显。

曲线梁桥；载荷试验；有限元模拟；剪力滞效应

近年来，随着我国高等级公路和城市交通大规模的扩张，曲线梁桥结构以其特有的桥型和对地形的高适应性，在交通工程得到广泛的使用。然而由于曲率的存在，曲线梁桥结构在恒载或活荷载作用下会产生“弯-扭”耦合效应。在对已建曲线梁桥检查维护中发现，曲线梁桥常见病害[1-2]包括梁体扭转变形、侧向变形、外沉内翘、内侧支座压力储备不足或脱空、爬坡和翻转等。曲线梁桥出现上述危害的主要原因之一在于对该类桥型“弯-扭”耦合效应认识不足。因此，对曲线梁桥“弯-扭”耦合效应进行深入的研究显得尤为重要。同时，由于曲率的存在使得曲线梁桥理论计算变得非常复杂，在设计中很难使用解析法精确分析主梁的受力性能，通过实桥载荷试验可以直观地研究曲线梁桥受力状况。目前国内外已有研究者对曲线梁桥进行试验研究，通过实桥模型试验和有限元模拟[3]分析，取得了一定的成果。研究[4]表明，曲率半径的变化对曲线梁桥扭矩影响较大，而对纵向弯矩影响不大，随着曲率半径的减小，其“弯-扭”耦合效应愈加明显，所以小半径曲线梁桥的受力受力状况更应引起人们的重视。本文以某曲线梁桥载荷试验为基础，对该类桥梁的实际受力状况进行探讨。

1 工程概况及试验研究方案

1.1 工程概况

以某市秀山湖桥为对象。该桥分东、西两幅，其中：东幅桥第一联位于圆曲线上，曲率半径R=70 m，跨径布置为3×25 m；西幅桥第一联位于曲率半径R=100 m的圆曲线上，跨径布置为4×25 m。两幅桥均采用预应力混凝土箱梁结构，截面为单箱单室，顶板宽为7 m+2×0.5 m=8 m，底板宽为4.5 m，梁高1.4 m。桥梁下部结构采用柱式桥墩，变截面花瓶式造型墩身。桥梁设计荷载为：公路-Ⅱ级。

1.2 试验研究方案

曲线梁桥载荷试验[5-7]是了解曲线梁桥实际受力状况最有效的方法，通过测量梁桥结构在试验荷载作用下各控制截面的位移和应力，对比有限元分析结果，验证有限元模型准确性并以其为基础进行探讨。

以曲率最大的东幅桥第一联为研究对象，试验选取第一、二跨跨中最不利截面为试验控制截面，见图1。图中A-A截面和 C-C截面分别为一、二跨正弯矩值最大处截面，B-B截面和D-D截面分别为2#、3#支座处截面。在各控制截面底板处分别布置3个应变传感器和3个挠度传感器，应变测点和挠度测点的布置见图2，3。

试验分4种工况进行加载，加载工况见表1。试验中使用汽车荷载模拟桥梁设计荷载，通过弯矩等效原则计算，确定采用4辆三轴载重汽车位试验荷载，车重为350 kN。各工况试验效率在0.95～1.03之间，满足规范对试验效率的要求。各工况试验加载车辆布置见图4～7。

1.3 有限元建模

由于预应力混凝土曲线梁桥结构为空间受力体系，计算复杂，故采用有限元软件ANSYS建模[8]并分析。文中曲线梁桥上部结构和墩柱均采用空间实体单元模拟，桥面铺装采用空间板单元模拟，桥梁盆式橡胶支座采用三向弹簧单元模拟，预应力钢束采用杆单元模拟。根据桥梁实际情况建立模型，分别计算在各试验工况下主梁结构的应力与挠度。具体模型见图8，9。

表1 加载工况Tab.1 Loading mode

2 试验结果及分析

1)工况1，3

工况1，3荷载作用时，测试截面的实测值与模拟值对比见表2，3。

表2 工况1时各测点应变与挠度测试结果Tab.2 Strain and deflection of measuring points under condition 1

表3 工况3时各测点应变与挠度测试结果Tab.3 Strain and deflection of measuring points under condition 3

由表2，3可以看出，在工况1，3荷载作用下，各测点的应变和挠度的实测值均小于模拟值，且实测值和模拟值的变化趋势相同，表明本文所建有限元模型能很好地模拟曲线梁桥受力性能。模拟值和实测值均表明在抗扭试验荷载作用下，试验截面处1#测点挠度值大于3#测点挠度值，主梁向外侧扭转，说明曲线梁桥在荷载作用下会产生“弯-扭”耦合效应。

由应变结果可知，在抗扭试验荷载作用下，1#测点应变值与2#测点应变值之比大于2#测点应变值与3#测点应变值之比，曲线梁桥外侧应变变化更加明显。A-A截面内外侧应变比值为0.72，C-C截面内外侧应变比值为0.95，表明曲线梁桥在荷载作用下存在内侧卸载外侧超载的现象。

2)工况2，4

工况2，4荷载作用时，测试截面的实测值与模拟值对比见表4，5。

表4 工况2时各测点应变与挠度测试结果Tab.4 Strain and deflection of measuring points under condition 2

表5 工况4时各测点应变与挠度测试结果Tab.5 Strain and deflection of measuring points under condition 4

由表4，5可以看出，应变和挠度的实测值均小于模拟值，且变化趋势相同，表明该桥承载力满足设计要求。模拟值和实测值均显示曲线梁桥的外侧挠度值大于内侧挠度值，说明桥梁在试验荷载作用下呈现向外侧扭转趋势。A-A截面底板内外侧挠度差大于C-C截面底板内侧测挠度差，表明在试验荷载作用下，边跨的扭转变形大于中跨，即在设计荷载作用下，曲线梁桥边跨扭转变形更为不利。

由应变结果可知，在抗扭弯验荷载作用下，1#测点应变值大于3#测点应变值，说明在试验截面处内侧底板受力更为不利，但数值相差不大。导致这种情况的发生是由于曲线箱梁桥中存在着剪力滞效应。

3 曲线梁桥剪力滞效应

从上述试验结果中发现，在对称荷载作用下，曲线箱梁桥各跨跨中截面内侧底板和腹板应变值大于外侧应变值，而内侧竖向位移小于外侧。文献[9]中关于曲线PC箱梁桥承载力试验研究中也表明在竖向对称荷载作用下，主梁跨中截面内侧受力更为不利。曲线梁桥的这种受力特点是由于曲线箱梁桥剪力滞效应[10]引起的。

直线箱梁桥中，跨中截面处剪力滞效应沿箱梁中心线对称，故而截面内外侧应力呈对称分布。在曲线梁桥中，由于“弯-扭”耦合效应的存在，跨中截面剪力滞效应呈现非对称分布。曲线箱梁桥的剪力滞系数λ为

分别选取曲率半径为50，70，100，120 m和直梁桥5中不同半径曲线梁桥进行模拟，其它参数不变，分析在设计活荷载作用下边跨和中跨跨中截面剪力滞系数。根据模拟计算结果得出的箱梁边跨和中跨跨中底板剪力滞系数分布见图10，图中横坐标数字表示箱梁底板宽度10等分之节点。

由图10可以看出，在对称荷载作用下，曲线箱梁桥跨中截面内外侧剪力滞系数不同，内侧底板剪力滞系数大于外侧底板剪力滞系数；随着曲率半径增大，外侧底板λ值逐渐增大，内侧底板λ值逐渐减小，内外侧底板剪力滞系数差逐渐减小，当曲率半径较大时，曲线梁桥剪力滞效应与直梁桥接近，沿板底呈对称分布。相比中跨跨中截面剪力滞系数分布曲线，边跨跨中截面剪力滞系数分布曲线较为平缓，表明边跨跨中截面底板内外侧应力差值小于中跨。

在对称荷载作用下，由于曲线箱梁桥跨中截面剪力滞系数的不对称分布，使其截面内侧应力大于外侧应力，内侧受力更为不利，所以在曲线箱梁桥的设计中，应考虑剪力滞效应带来的影响。

4 结 论

通过秀山湖曲线梁桥的模拟计算和载荷试验研究，得出以下结论：

1)采用空间实体单元和其它空间单元相结合的有限元分析法能有效的模拟曲线梁桥的受力情况；

2)在竖向荷载作用下，主梁产生竖向位移的同时产生向外侧扭转变形，表现出明显的“弯-扭”耦合效应；

3)在对称荷载作用下，由于剪力滞效应影响，曲线梁桥各跨跨中截面应力分布为内侧大外侧小；

4)不同曲率下曲线箱梁桥跨中截面剪力滞系数均为外侧小、内侧大的非对称分布，且随着曲率半径的减小，非对称分布特征越加明显。

[1]刘超，袁向荣.某匝道独柱曲线桥病害成因分析与对策[J].长春工程学院学报：自然科学版,2010,11(4):24-26.

[2]孙全胜，张清晨，张双.曲线钢箱梁支座反力分析和脱空控制[J].世界桥梁，2012,40(2):29-33.

[3]Cheung M S,Cheung Y K.Analysis of curved box-girder bridges by finite strip method[J].International Association for Bridge and Structural Engineering Publications,1971,31(1):1-8.

[4]杨昀，周列茅，周勇军.弯桥与高墩[M].北京：人民交通出版社，2011:4-22.

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[6]王彬.城市立交桥匝道曲线梁静动载试验[J].长安大学学报：自然科学版，2004,24(5):48-50.

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[8]黄伟，杨磊，丁琼迪.空间扭转系杆拱桥吊杆张拉顺序优化[J].安徽工业大学学报：自然科学版，2012,29(4):361-364.

[9]戴鹏.曲线预应力混凝土箱梁桥支座反力及承载力试验研究与数值分析[D].西安：长安大学，2007.

[10]何庆华，卫星.弯扭耦合下曲线混凝土箱梁截面应力状态的受力机理分析[J].铁道标准设计，2013(2):64-68.

责任编辑：丁吉海

Research on the Test of Prestressed Concrete Curved Box-girder

HUANG Wei,WU Ze
(School of Civil Engineering&Architecture,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243032,China)

Four load conditions were designed and the reasonable measuring points were arranged in the prestressed concrete curved girder bridge,and results of the loading tests and these of the built finite element model analysis were analyzed and compared.The results of the bridge load testing show that with the effect of symmetrical loads the inside stress of the mid-span section is larger than that of the outside in the curved girder bridges.The result of the shear-lag effect analysis,using the finite element models with the different curvature curved girder,showed that the shear-lag coefficient was distributed asymmetrically with the characteristics of the outside is smaller and the inside is large in the mid-span section,and the asymmetric distribution became apparent with the decrease of curvature radius.

curved girder bridge;finite-element simulations;load test;shear-lag effect

U448.42

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.014

2014-04-25

“十一五”国家科技支撑计划项目(2007BAE30B05)；马鞍山市科学技术项目(马科2011-X-09)；马鞍山市科学技术项目(马科2012-X-15)

黄伟(1963-)，男，安徽马鞍山人，教授，主要从事建筑抗震、既有建、构筑物性能鉴定研究。

1671-7872(2015)-02-0163-05