不同因素对独墩式弯桥梁体偏移的影响分析

惠兴智

（山西省交通科学研究院，太原030006）

0 引 言

随着我国城市立交桥的快速发展，独墩式弯梁桥应用比重逐渐增多[1-4].虽然独墩式弯梁桥具有适地性强、行车舒适、结构轻便、力线通畅等优点，但其结构受力比较复杂，在混凝土徐变收缩、倾覆弯矩、温度应力等作用下易发生梁体偏移病害，严重的会致使桥梁出现倾覆倒塌事故[5-7].近年来，一些学者对独墩式弯桥梁体偏移展开了相关研究，如于玲[8]和董亮等[9]采用有限元数值分析方法对小半径独柱墩梁体偏移进行有限元模拟，通过敏感性分析,探讨了造成侧向偏移各因素的影响程度，并提出了弯桥梁体偏移原因及处置措施；吴玉华等[10]采用MIDAS有限元分析程序，构建了23座独柱墩连续箱梁桥的仿真模型，分析和总结了影响弯梁桥稳定性的主要影响因素；谭世霖[11]介绍了某高速公路曲线弯曲独柱墩桥梁体移位情况，分析了梁体移位的原因，提出了梁体偏移处治方法；张健等[12]分析了近年发生的独柱墩桥梁倾覆事故，并结合现行规范对该类桥梁的抗倾覆稳定性进行了分析；赵景周[13]研究了梁桥侧向位移处置措施与建议；朱谊彪[14]基于逆可靠度理论对独柱墩桥梁的抗倾覆性能进行了研究.以上研究大多仅考虑桥梁外在影响因素和桥梁偏移倾覆研究，缺乏对结构偏移内在因素的分析.基于此，以某城市互通立交桥的A1匝道桥段为研究背景，运用ANSYS软件建立桥梁仿真模型，分别研究了曲线半径、箱梁截面尺寸、支座类型及布置方式对弯桥梁体偏移的影响，得出结果可为独墩式弯桥梁体偏移控制提供理论依据.

1 工程概况

依托某城市互通立交桥的A1匝道桥段为研究背景，该桥上部结构为五跨预应力混凝土连续弯箱梁，顶板宽9 m，底板宽3.4 m，梁高1.5 m，翼缘、顶板和底板厚度为0.2m，腹板厚度为0.4m，悬臂长度为2.4 m，每跨中心线长为18 m，曲率半径为180m，桥面宽为9.5m，梁高1.5 m，车道设计为单向双车道；下部结构中间墩为独立柱墩，墩直径为1.8m，各墩柱均使用四氟乙烯滑板板式橡胶支座，全桥基础为承台接灌注桩基础.桥梁结构平面布置如图1所示.

图1 桥梁平面布置示意（单位：m）

2 建立模型

考虑到独墩式弯梁桥的构造特征与模拟精度要求，试验采用大型桥梁结构计算软件ANSYS建立该弯梁桥的仿真空间模型如图2所示.模型中主梁采用solid65实体单元进行模拟，竖向和横纵桥向的支座分别采用combin14、combin40单元模拟，桥墩则采用beam188单元模拟，且墩底均进行固结处理.另外，依据实际工程情况及《公路桥涵设计通用规范JTG D60-2015》相关规定，选取主要材料参数如表1所示.

图2 桥梁有限元仿真模型

表1 主要材料参数

3 梁体偏移影响因素分析

为探讨独墩式弯桥梁体偏移的影响因素，试验分别针对整体升温20℃温度荷载作用下的不同曲线半径、箱梁截面尺寸、支座类型及布置方式的梁体偏移进行有限元数值分析.

3.1 曲线半径

曲线半径是独墩式弯桥梁体偏移的主要影响因素之一，为研究曲线半径对弯桥梁体径向位移的影响， 文中拟定 R=45 m、90 m、180 m、360 m 和600m五种不同曲线半径，并通过数值计算得出梁体径向位移变化曲线如图3所示.

根据图3可以看出，当曲线半径越大，弯桥梁体径向位移值越小，其中在曲线半径小于90m情形下弯桥梁体的横向发生偏移较为明显；当曲线半径超过270 m情形时弯桥梁体的径向偏移很小.由此可知，曲线半径对独墩式弯桥梁体偏移的影响极为明显，故在允许范围内选取大曲线半径能够减弱结构的弯扭耦合效应，从而使弯梁桥的受力状况更相似于直线梁桥.

图3 不同曲线半径的梁体径向位移变化曲线

3.2 支座类型

为了探讨支座类型对独墩式弯桥梁体偏移的影响，试验拟定了板式(原支座类型)、盆式和高阻尼隔震3种不同支座类型的橡胶支座，各类型支座如表2所示.

表2 支座参数

通过对梁体进行数值分析，得出各支座的径向位移变化如图4所示.

根据图4可知，三种支座类型的弯桥梁体均发生不同程度的径向位移，其中由于高阻尼隔震支座具有良好的阻尼性能，故对梁体位移的控制要优于其余支座；盆式支座前三跨的梁体径向位移较小，但后两跨径向位移幅度较为明显，这主要和固定支座、活动支座的布置位置及类型选择有关.

图4 不同支座类型的梁体节点位置位移变化曲线

3.3 支座布置方式

支座布置方式对桥梁结构安全及线形存有明显影响，为研究支座布置方式对独墩式弯桥梁体偏移的影响，文中拟定6种不同支座布置形式，通过对弯桥梁体进行径向偏移分析，得到不同支座布置形式径向位移如表3所示.

表3 不同支座布置形式弯桥梁体径向位移

根据表3可知，抗扭支座对弯桥梁体径向位移控制有着比较明显的效果，但抗扭支座的造价较高，若实际工程中均采用该支座布置会导致经济性差，故选用抗扭支座与铰支座互相结合的布置形式不仅能确保桥梁结构的安全性，同时也能兼顾经济实用性.对比端部抗扭支座、中支座外偏心0.5m、中支座交叉偏心0.5m可知，端部抗扭支座对梁体径向位移影响相对较大，而设有偏心形式的支座梁体径向位移有明显减小，说明合理的偏心布置方式能有效控制弯桥梁体径向位移.对比中支座外偏心0.2m、0.3m、0.5m的梁体径向位移可知，中支座外偏心0.3 m对梁体径向位移的控制要优于中支座外偏心0.2m，而中支座外偏心0.5m对梁体径向位移的控制则优于中支座外偏心0.3 m，说明合理偏心值大小能有效改善弯桥受力状况，提升桥梁结构安全性能.

3.4 箱梁截面尺寸

考虑到不同箱梁截面尺寸能够改变弯桥梁结构的弯扭刚度，从而致使梁体发生偏移.为研究箱梁尺寸对独墩式弯桥梁体偏移的影响，通过改变箱梁截面尺寸来拟定四种工况如下所示：

1）工况一：原箱梁截面；

2）工况二：腹板增厚0.15m；

3）工况三：箱梁有单室变为双室，中间隔板厚度为0.1m；

4）工况四：悬臂增长0.2m.

通过对改变后箱梁截面尺寸的弯桥进行数值分析，得到梁体偏移结果如表4所示.

表4 不同箱梁尺寸的梁体径向位移值（单位:mm）

由表4可以看出，改变箱梁截面尺寸能够使独墩式弯桥径向位移减小，但对梁体位移的影响程度均比较小，且有关资料[6-8]表明箱梁腹板过厚会造成梁体结构自重变大，进而导致顶板应力增大；悬臂过长会降低结构的稳定性，如受到车辆偏载作用有可能会致使梁体发生倾覆现象；而将箱梁单室改为双室有可能使得箱梁模板制作难度和施工成本增大.因此为保证桥梁工程的安全稳定与经济实用性能，合理选择箱梁截面尺寸也比较重要.

4 结 论

1）随着曲线半径的增大，独墩式弯桥梁体径向位移逐渐减小；在允许范围内选取较大曲线半径能够减弱结构的弯扭耦合效应，有利于梁体偏移控制.

2）高阻尼隔震支座具有良好的阻尼性能，在梁体偏移控制方面要优于板式、盘式橡胶支座.

3）抗扭支座对梁体偏移有明显的控制效果，但实际工程中全部选用抗扭支座会增加施工成本，选用抗扭支座与铰支座互相结合布置能兼顾结构的安全性和经济性.

4）改变箱梁截面尺寸对弯桥梁体偏移控制效果不太明显，但合理选择箱梁截面尺寸也能提升桥梁结构的稳定性.