预防混凝土曲线箱梁桥爬移的对策研究

李 冰，胡玉柳

1福建船政交通职业学院,福州 350007 2福州市交通建设集团有限公司,福州 350001

曲线梁桥以其外型美观、适应性强等诸多优点而被广泛应用于大桥匝道、城市立交桥以及山区公路.但近年来一些曲线梁桥在施工、营运中出现伸缩缝破坏,栏杆错位、梁体向外滑移甚至翻转等病害,引起广泛关注.分析原因可知,由于存在弯矩耦合、支反力不均匀等复杂的受力特征,使得曲线梁桥变形复杂,无法恢复的变形积累形成梁桥横向爬移病害[1].

现有研究和定性分析认为,曲线梁桥的爬移是在各类荷载作用下,梁体产生不可恢复的变形逐渐积累而成[2].本文拟以某高速公路互通匝道桥为例,通过有限元分析,从横向爬移机理出发,具体研究各主要影响因素对曲线梁桥的影响,从设计和施工角度提出对预防预应力混凝土曲线箱梁桥爬移的可行性对策.

1 示例工程和有限元模型

当前研究表明,曲线梁桥爬移主要是由于不合理的设计和运营阶段的温度荷载和汽车荷载的影响[3].首先当桥梁曲率半径较小时,曲线箱梁桥较容易发生爬移;其次早期的混凝土收缩徐变使主梁发生径向和切向的负位移,也是爬移的重要组成;再者外荷载中的温度荷载和汽车荷载同样会引起曲线箱梁桥的爬移,每年季节性的温升和温降都会引起主梁的收缩和膨胀,且收缩和膨胀值不会完全抵消,并随着时间增长逐渐积累;同时汽车荷载对曲线箱梁桥爬移的影响也是一个逐渐累积的过程,当上述位移积累到一定时,若无其它荷载影响,则保持一个平衡状态.此时当车辆超速或者超载行驶时,引起主梁的径向位移可能超出了支座的限值,甚至顶坏限位挡块.

1.1 示例工程概况

某高速公路互通匝道桥,全长119.0 m,桥跨组合为18.0 m+4×20.0 m+18.0 m,平曲线半径R=55 m,纵坡+3.281%的现浇预应力混凝土连续空心板梁,下部结构采用钢筋混凝土实心单柱式和双柱式墩,基础采用钢筋混凝土钻孔灌注单排桩.桥面宽度8.0 m+2×0.5 m.现浇空心板直腹板截面,空心板采用C 40混凝土.桥型平面图如图1所示.

图1 桥型平面Fig.1 Bridge plan

示例工程采用球型支座,支座数量、布置间距如表1所示.

表1 示例中的桥梁支座数量、间距Table 1 Number and spacing of the bridge supports in the example

1.2 匝道桥有限元模型

采用ANSYS有限元模型进行分析研究.

1.2.1 桥梁结构的模拟

混凝土弯梁体采用的是空间实体单元SOLID 95.预应力钢束模拟采用的单元是杆单元LINK 8.支座采用单元SOLID 95模拟,支座目标面(TARGE 170)和接触面(CONTA 174)形成接触单元,摩擦系数取0.02.桥墩的模拟采用单元BEAM 188,并将墩底与地面固结,约束所有自由度,如图2所示.

图2 ANSYS有限元模型Fig.2 ANSYS finite element model

1.2.2 荷载的模拟

(1) 自重的模拟. 混凝土弯梁体和桥墩的重量以结构单元自身形式计入;桥面铺装等其他恒载以均布荷载的形式施加在梁体表面,通过计算得到面荷载的大小为3 504 N/m2.

(2) 预应力的模拟. 采用初应变法中约束方程法模拟,通过在混凝土单元节点和力筋节点之间建立约束方程,将两者连接为整体.由于示例工程的曲率半径为55 m,如此小的半径会产生较大的预应力的损失,考虑到整体的预应力损失,初应变应乘有效系数0.65.

(3) 混凝土收缩徐变的模拟. 由于ANSYS中不包含与中国现行规范相匹配的混凝土收缩徐变计算功能,基于收缩应变与温降应变效应相同、混凝土徐变与金属蠕变类似的应力应变等效思想[4],本文采用近似降温法模拟混凝土收缩,采用CREEP准则模拟混凝土的徐变效应.收缩徐变主要在结构加载后三年内完成,随后在结构的整个寿命周期,发展速率非常缓慢.根据文献[4]中的计算方法,再结合背景工程的环境条件及加载龄期,计算等效降温为10.4 ℃,徐变时间取为1 095 d,徐变系数C1取为9.64×10-15.

(4) 温度荷载的模拟. 温度荷载包括季节温差和日照温差(梯度温度)即先将相应的温度值分别赋予相应的单元,再在单元中设置线性膨胀系数.本文季节温差的模拟为整体升温25 ℃和整体降温25 ℃.依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D 60-2015)[5]中竖向温度梯度曲线相关参数的规定.对于示例工程,混凝土上部结构的竖向日照反温差为正温差乘以系数-0.5.根据文献[5]对于翼缘板较长的箱梁,橫桥向温度梯度对主梁的影响较小,故本文中未予考虑.

(5) 车辆荷载的模拟. 车辆荷载包括竖向荷载以及离心力荷载,模型采用集中力的形式施加在车轮着地点处的节点上.在模拟时,将车辆沿着全桥放置在梁端外侧,车辆荷载的主要技术指标、横向布置及离心力的计算按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D 60-2015)[5]中的规定.本桥的设计车速为40 km/h,计算得到的离心力值为125.98 kN.

2 预防爬移的措施及其效果分析

由曲线箱梁桥有限元分析可知,混凝土曲线箱梁桥爬移的很大一部分是由于设计不合理引起的;其次,施工的方法及顺序也是减少爬移的有效手段.

2.1 设计方面

2.1.1 预应力的布置

预应力的径向力主要使主梁产生扭矩,造成内支座支反力小于外支座,因此混凝土曲线箱梁桥预应力束的配置应根据不同的弯梁桥合理配置.

在曲线箱梁桥剪切中心以上或以下配置的钢束都会在曲线箱梁桥空间曲率的影响下使梁桥发生扭转,由于通常曲线梁底板配置的钢束远多于顶板,使得这种有向外扭转的趋势更加明显即存在内支座支反力远小于外支座甚至脱空的现象,所以可适当增配一些顶板束,以改善主梁的扭转变形和内外支反力的差值.

本文以示例桥梁为基础,在顶板增加三根无竖弯的12Φj15.24预应力钢束,其他控制参数不变的情况下,考虑自重和预应力作用,计算支座反力与位移,取5-1支座(外支座)和5-2支座(内支座)的结果如表2所示.

表2 支座计算结果Table 2 Bearing calculation results

续表2

由表2可知,增加顶板束后,爬移值减少了0.01 mm,变化率达到-25 %,内外支座(即5-2支座与5-1支座)反力的差值由原来的480.79 kN减至273.12 kN,减少了207.67 kN,由此可知,适当配置顶板束对减小支座位移和内外支反力差值效果明显.

同时，由于预应力的竖向分力使曲线箱梁桥发生扭转,而切向分力在整体上体现为使曲线箱梁桥产生向外运动的趋势.因此,内外腹板中预应力钢束布置时可采用张拉力不同的对称布置,可适当调整外腹板张拉力大于内腹板,增加内支座的支反力,减小内外支反力差值,降低弯桥侧翻可能性.

以示例桥梁为基础,分别计算预应力外侧大于内侧、外侧小于内侧的情况,取5-1和5-2支座的竖向支反力及支反力差值,计算结果见表3.

表3 支座支反力计算结果(单位:kN)Table 3 Calculation results of supporting reaction force of the supports(Unit:kN)

由表3可知,在曲线箱梁桥中,按外侧预应力大于内侧预应力的张拉力配置是比较合理的.

如果改用仅配置预应力钢束的预应力钢箱-混凝土组合箱梁,则能够彻底解决预应力对曲线箱梁桥的影响.钢箱-混凝土组合梁截面如图3所示.此组合梁仅在顶板配置了预应力钢束,此时预应力径向分力因所有钢束重心都位于剪切中心以上而只产生向内侧的扭矩,与主梁自重和离心力产生的扭矩相反[6].

图3 钢箱-混凝土组合箱梁Fig.3 Steel box-concrete composite box girder

2.1.2 支座的布置

支座布置形式直接影响着桥梁内力的分布和内移值的大小.以示例桥梁为基础,支座布置如表1所示.当设计者对桥梁内力,特别是支座径向力不是非常明确时,建议除中间墩采用固定支座,其余桥墩采用约束径向位移的单向活动支座,桥台则采用双向活动支座的布置形式.曲线箱梁桥中间墩采用单向活动支座比固定支座位移小的原因是由于曲线箱梁桥除了发生径向位移外还会发生切向位移,释放切向约束后,使主梁可以在切向自由活动,减少了径向的位移.

另外由于曲线箱梁桥在恒载作用下会产生扭转,对于单铰支撑的混凝土曲线箱梁桥应设置合理的预偏心,否则易使梁端双支座竖向支反力发生巨大的差值,甚至出现内支座脱空.

对于中间墩采用墩梁固结的混凝土曲线箱梁桥,中间墩应设计成具有较大的抗推刚度,以此来抵抗主梁的径向变形.

当曲线箱梁桥主梁宽度较窄时(B≤8.5 m),曲线箱梁桥的扭转作用表现的更加明显即曲线箱梁桥双支座内外支座竖向支反力的差值较大,为了改善曲线箱梁桥的内力分布,可以采用支座外移的方式来实现即通过加宽外侧箱梁的底板宽度,同时将外支座向外偏移,如图4所示.

图4 支座外移示意图Fig.4 Schematic diagram of bearing displacement

2.1.3 侧向限位装置

由于混凝土曲线箱梁桥自身的力学性,不可避免地会出现径向变形的趋势.因此,对于超小半径或者设计较复杂的曲线梁应专门进行侧向限位的设计.

在曲线箱梁桥的边界条件设计时,一般会在所有中间墩处设置径向约束,限制曲线箱梁桥的径向位移,然仅靠支座一般很难承受如此大的径向支反力,从而使支座发生剪切破坏,进而发生径向爬移.因此,通过设置弹性侧向支承来达到减小墩台刚度是预防径向位移的一个有效手段.对于有设置防震挡块的曲线箱梁桥,弹性侧向支承一般设置在曲线箱梁桥梁端的粱体与防震挡块之间,对于无防震挡块的桥梁,则在梁底与墩顶设置此装置.这样不仅能减小了梁端的支反力,还可以协调纵桥向各墩台的刚度,进而减小曲线梁体横向位移的趋势[7].

为验证该侧向限位装置的效果,以示例桥梁为基础,将支座摩阻系数改为0.003,计算有侧向限位和无侧向限位情况下5-1支座的侧向位移,其中减小率=减小值/无侧向限位值,其计算结果如表4所示.

表4 支座径向位移Table 4 Radial displacement of support

由表4可知,加装侧向限位装置后,支座位移值减小了17.22 mm,减小率达60.74 %.此时桥墩的水平附加力为35.40 kN,在桥墩的抗力范围内.实际应用时,应根据具体桥梁的上部结构进行设计,应按照能够同时满足可接受的最大径向位移及此时的水平附加力在桥墩的抗力范围内.

2.1.4 混凝土材料的选择

混凝土的收缩徐变同时发生并同为时间的函数,收缩徐变主要在结构加载后三年内后趋于稳定,随后在结构的整个寿命周期,发展速率非常缓慢.混凝土的收缩及徐变作用在对结构的内力和变形会产生影响的同时还会导致预应力的损失等.示例桥梁支座在混凝土收缩、徐变作用下支反力如表5所示.

由表5可以看出,在竖向支反力的问题上,相比于预应力,混凝土收缩、徐变的影响都要小得多,但区别在于:仅考虑收缩影响0#台和6#墩外侧支座和内侧支座的支反力差分别为:14.59 kN和10.52 kN,且各支座内侧的竖向支反力均为负,外侧支座的竖向支反力均为正,说明混凝土收缩的作用使得曲线梁桥发生向外偏转;但考虑混凝土徐变影响下0#台和6#墩外侧支座和内侧支座的支反力差分别为:-90.17 kN和-87.35 kN.内侧支座的竖向支反力均为正,外侧支座的竖向支反力均为负,说明混凝土徐变的作用使得曲线梁桥发生向内偏转.

表5 混凝土收缩、徐变作用下支座支反力(单位:kN)Table 5 Support reaction force under shrinkage and creep of concrete(Unit:kN)

在混凝土收缩作用下,支座爬移曲线如图5所示.由图5可知,与预应力的影响相比,在混凝土收缩作用下,支座橫桥向爬移和顺桥向爬移均有所增加.除了3#墩的固定支座外,其他各支座都有不同程度的爬移.橫桥向爬移的情况是:弯桥整体向内侧爬移,联端变形最大,最大值为3.43 mm.顺桥向爬移的情况是:联端向3#墩方向爬移,联端最大,最大值为6.09 mm.在混凝土徐变作用下,支座爬移曲线如图6所示.

图5 混凝土收缩作用下支座爬移曲线Fig.5 Creeping curve of support under concrete shrinkage

图6 混凝土徐变作用下支座爬移曲线Fig.6 Creeping curve of support under concrete creep

由图6可知,与预应力的影响相比,在混凝土徐变的作用下,支座橫桥向爬移量没有明显的变化,爬移量很小,不到1 mm,但是顺桥向爬移量有所增加,由联端向3#墩方向爬移,联端爬移最大,为9.24 mm.

由分析可知,混凝土的收缩徐变是影响混凝土曲线箱梁桥的关键因素,尽可能的选择收缩和徐变较小的原材料及合理的配合比是减少混凝土曲线箱梁桥爬移的有效手段[8].因此,应用于混凝土曲线箱梁桥的原材料应选择收缩和徐变较小的水泥,且在原材料配合比设计上应满足规范并尽量减小收缩和徐变.

2.2 施工方面的措施

调查表明,许多混凝土曲线箱梁桥在施工时就出现了爬移甚至翻转,因此在对混凝土曲线箱梁桥的施工中应注意:曲线箱梁桥的护栏施工时应先内后外,分段进行,能减少因偏载而使支座脱空甚至出现梁体翻转现象;采用逐孔浇筑施工方法时,应至少保证有一孔梁的支架存在,可以避免在曲线梁浇筑过程中出现横向失稳.

其次,预应力钢束的张拉顺序对混凝土曲线箱梁桥施工时的内力影响很大.由前文对预应力影响的分析可知,在张拉预应力钢束时,应先保证内外腹板已张拉的预应力钢束接近相等,其张拉次序如图7所示(图7中数字1,2,3,4,5和6表示预应力筋的张拉顺序).

图7 预应力钢束张拉次序示意图Fig.7 Schematic diagram of tension sequence of pre-stressed steel bundles

最后应考虑季节温差影响的支座位移补偿.由有限元分析可知,季节温升使曲线箱梁桥向外侧爬移,季节性的温降使曲线箱梁桥向内侧爬移[9].当曲线箱梁桥在夏季完工后,随着温度的降低,曲线箱梁桥会产生向内侧的位移,这种爬移是有利于曲线箱梁桥受力的;当曲线箱梁桥在冬季完工后,随着温度的升高,曲线箱梁桥则会产生向外侧的位移,使曲线箱梁桥可能处于不安全状态.

因此,对于夏季完成施工的曲线箱梁桥,可以按照原设计摆放支座;对于冬季完成施工的曲线箱梁桥,应根据当地施工完成时的温度,由设计单位计算梁体偏移量,调整偏移量后安装,且该偏移量不会影响曲线箱梁桥的安全使用.

3 结论

影响曲线箱梁桥的横向位移的因素很多,但主要是梁的曲率半径、支座的布置、温度荷载的变化、汽车荷载的作用及预应力的影响.

为了减小曲线箱梁桥的侧向位移,在设计上预应力混凝土曲线箱梁桥应尽可能选择半径较大的曲线,并可适当增配一些顶板束,对称布置的内外腹板中预应力钢束应采用外腹板预应力张拉力适当大于内腹板.当中间墩采用墩梁固结时,应适当增大中间墩的抗推刚度;当中间墩采用独柱支撑的混凝土曲线箱梁桥应设置合理的预偏心.对于主梁较窄(桥面小于8.5 m)的混凝土曲线箱梁桥,可采用加宽主梁底板的方式,将外支座外移.对于曲率半径较小或者运营情况较复杂的情况下,可设置专门的侧向弹性支撑.从原材料上看混凝土曲线箱梁桥的主梁应选择收缩徐变系数较小的混凝土材料.

混凝土曲线箱梁桥施工时,护栏施工应先内后外,分段进行;采用逐孔浇筑施工方法时,应至少保证有一孔梁的支架存在;张拉混凝土曲线箱梁桥腹板上的预应力钢束时,应先张拉中间钢束,再张拉顶板束和底板

束;对于夏季完成施工的曲线箱梁桥,可以按照原设计摆放支座;对于冬季完成施工的曲线箱梁桥,应由设计单位计算位移,调整偏移量后安装.