等跨曲线连续刚构桥与连续梁桥温度效应分析★

刘凯乐 占雪芳

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

1 概述

到目前为止国内外有多起曲线桥事故，轻则导致梁平移以及裂缝的出现，严重则致使桥梁坍塌。位于新西兰新市场的一座预应力混凝土箱梁高架桥，由于日照作用梁体产生很大的温差致使该桥损毁严重，不得不重新修复[1]。同样，国内也有类似的情况发生，深圳的一座混凝土互通式立交桥在日照作用下突然产生曲线外侧的整体位移和转动，致使交通中断，所幸没有造成重大的人身伤亡事故[2]。2019年10月，江苏一座独墩曲线连续桥由于单侧超载导致桥面发生滑落和倾覆。曲线梁桥由于墩梁未固结，在温度荷载和超载作用下梁体易发生倾覆，是一种脆性破坏。若将其改造为墩梁固结的曲线连续刚构桥，将拥有更高的抗倾覆和滑落能力。

曲线梁桥在温度作用下的内力与变形,国内外桥梁工作者做了大量的研究工作。KM Sennah[3]在文献中指出温度变化引起曲线桥平面内的位移是弧段膨胀或收缩性质的位移,在桥梁活动端将引起和桥轴线相垂直的位移分量,此位移使伸缩缝的活动在构造上会发生困难。同时,加拿大安大略省公路桥涵设计规范也指出,曲线梁桥发生温度变形时会发生两个方向的位移分量:沿桥轴向方向的位移分量和沿桥轴线垂直方向的横向分量[4-10]。

但国内外学者对曲线连续刚构在温度作用下内力与位移分析较少，为了解曲线连续刚构桥的温度效应。本文以新疆某拟建大跨曲线连续刚构桥为例，通过与同等跨径曲线连续梁桥的温度效应进行对比分析，来验证曲线连续刚构桥的抗倾覆能力。

2 工程概况

某拟建大跨径曲线连续刚构桥位于新疆省乌鲁木齐市，全长(82+4×150+82)m，主跨150 m，桥面宽15 m，主梁采用C55混凝土，支点梁高9.5 m，跨中梁高为3.8 m，如图1所示。桥位隶属中温带大陆性干旱气候，7月、8月最热，平均气温25.7 ℃；1月最冷，平均气温-15.2 ℃。

3 桥梁模型简介

3.1 大跨曲线连续刚构桥模型

用空间梁单元建立了新疆拟建桥的成桥阶段模型如图2所示，共划分了698个梁单元，709个节点，该桥的曲率半径为1 600 m，箱梁采用C55混凝土，混凝土热膨胀系数α为1×10-5，弹性模量取为3.53×104MPa。

3.2 大跨曲线连续梁桥模型

同时建立了一座同等跨径的曲线连续梁桥模型作为对比分析对象，其基本参数与曲线连续刚构桥相同。该桥模型如图3所示，共划分了178个梁单元，179个节点，该桥曲率半径也是1 600 m。唯一不同的是曲线连续梁桥通过支座传递与墩之间的相互作用力。

4 计算结果对比

4.1 温度作用

分析的温度作用主要包括；系统升降温，温度梯度变化。由于该拟建桥位于新疆地区，依据JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范，温度作用荷载如表1所示。

表1 新疆地区温度 ℃

通过分别施加各种温度作用工况，对比各种工况下梁单元轴向应力，最大主应力(主拉应力)，最小主应力(主压应力)以及各种位移。

4.2 应力与变形计算结果对比

4.2.1系统升温作用

单元22,56,90,123,157是曲线连续刚构桥与曲线连续梁桥的支点单元。系统升温时，两桥的轴向应力、最大主应力、最小主应力和竖向、径向、切向位移对比结果如图4所示(应力以拉为正，竖向位移以向下为正，切向、径向位移以向内为正)。

从图4a)来看，系统升温后，曲线连续刚构桥全截面受压，由于梁墩固结，应力容易集中，其最大轴向压应力为0.26 MPa，略高于曲线连续梁桥。

从图4b),图4c)来看，曲线连续刚构桥与曲线连续梁桥的主应力变化趋势基本保持一致。系统升温后，梁体从温度中心(单元91附近)向两侧膨胀，曲线连续刚构桥最大、最小主应力都在单元32以及单元148(两次边跨靠近跨中处)达到极值，分别为1.3 MPa(拉应力)和-1.61 MPa(压应力)。而曲线连续梁桥最大、最小主应力都在单元8以及单元172(两边跨靠支点处)达到极值，分别为0.90 MPa(受拉)和-1.24 MPa(受压)。曲线连续刚构桥的最大、最小主应力的绝对值都要比曲线连续梁桥大，可以看出曲线连续刚构受系统升温的影响更大。

从图4d)来看，由于没有考虑曲线连续梁桥的支座变位及桥墩的影响，其竖向位移基本保持不变为0；而曲线连续刚构桥由于考虑梁墩的系统温升作用在节点35和节点145(两次边跨跨中处)处竖向位移最大56.0 mm，中间梁体的竖向位移基本保持平稳，持续在42.0 mm～47.0 mm。

从图4e),图4f)看，由于曲线连续刚构桥梁墩固结共同承担温度引起的侧向变形，因此曲线连续刚构桥的径向、切向位移均小于曲线连续梁桥，且曲线连续刚构桥的切向、径向位移沿温度中心对称分布，而曲线连续梁桥的切向、径向变形是逐渐向外增大的。曲线连续刚构桥的最大切向位移比曲线连续梁桥减少了1.6倍，最大径向位移减少了1.5倍，温度中心处最小差值在10 mm左右。结果说明曲线连续刚构桥由于梁墩固结增强了其抵抗系统整体升温梁体侧翻的能力，也解释了深圳华强北立交桥倒塌的原因。

4.2.2系统降温作用

系统降温时，曲线连续刚构桥和曲线连续梁桥的受力与系统升温时的变化规律基本保持一致，只是受力方向和位移变化方向相反。

4.2.3温度梯度(升温)作用

从图5a)来看，温度梯度升温后，梁桥的变化规律与系统升温相同，但数值减少较多，曲线连续刚构桥的最大轴向压应力为0.012 MPa。

曲线连续刚构桥与曲线连续梁桥的主应力变化趋势基本保持一致，所以就没有摆出图来。温度梯度升温后，两座桥最大、最小应力都在每跨桥的跨中达到极值，最大值分别为1.55 MPa(拉应力)和-4.7 MPa(压应力)。

从图5b)来看，两桥的竖向位移变化规律基本一致，且在个别点曲线连续梁的竖向变形略大于曲线连续刚构桥，因此梁墩固结对抵抗温度梯度荷载的作用是有益的。

从图5c),图5d)来看，温度梯度升温引起的两梁桥切向、径向位移较整体升温很小，且变化规律与系统升温基本一致。

4.3 温度梯度(降温)作用

温度梯度降温时，曲线连续刚构桥和曲线连续梁桥的受力与温度梯度升温时的变化规律基本保持一致，只是受力方向和位移变化方向相反。

5 结论

通过对同跨径的曲线连续刚构桥与曲线连续梁桥在温度荷载作用下的受力性能进行分析，对比了在四种常见的温度荷载(系统升降温，温度梯度变化)作用下结构的应力以及位移曲线，得到以下结论：

1)系统升降温时，曲线连续刚构桥由于梁墩固结，其轴向应力、主应力和竖向变形均高于曲线连续梁桥，但梁体切向和径向位移均小于曲线连续梁桥。

2)温度梯度升降温时，曲线连续刚构桥的梁墩固结对其轴向应力、最大、最小主应力和竖向变形影响不大，但对梁体切向和径向位移的影响较大，均远小于曲线连续梁桥。

3)以上结果表明温度对曲线连续梁桥和曲线连续刚构桥的受力有较大的影响，对比分析结果表明曲线连续刚构由于梁墩固结，显著的减少了温度引起的梁体的切向、径向变形，应力分布更加均匀，且曲线连续刚构桥的墩、梁、基础三者固结、方便施工，满足“少支座少伸缩缝”的要求，高桥墩的设计也减小了温度应力以及切向、径向位移的影响，因此推荐对于大跨径曲线梁桥采用曲线连续刚构型式。