不同约束方式对匝道桥力学性能影响研究

李绎青，张红显

(1. 长沙学院土木工程学院，湖南 长沙 410022；2. 长沙市规划设计院有限责任公司，湖南 长沙 410007)

随着国民经济的发展，城市建设用地较为紧张，多层立交桥广泛应用于城市综合交通节点，由于城市既有建筑、地下管线等地形限制，城市匝道桥多采用小曲率半径弯桥.然而，由于弯桥在外部荷载作用下具有弯扭耦合效应，同时结构支反力往往表现为曲线外侧支座受力大于曲线内侧反力的特点，因此，城市匝道桥不同的结构约束方式将大大影响结构力学性能.王克海、张盼盼、吴刚等[1]以石家庄市某匝道桥为例，研究了地震作用下，不同约束方式对匝道桥动力性能的影响；许震、罗小烨、卢琪等[2]对考虑弯桥台土及桩土效应下整体式弯桥力学性能进行了研究；吴文朋、彭巧威、龙士国等[3]以5座连续弯桥为例，拟定不同的支座布置形式，研究了支座布置对不等高墩曲线桥梁抗震性能的影响；江婧[4]以R=25mPC弯桥为例，研究了超小半径预应力混凝土弯桥力学性能；文献[5-7]分别对弯桥车-桥耦合作用、地震作用以及设置水平约束体系作用下结构响应做了相关研究.然而，对于城市匝道桥结构，不同约束方式下，上部结构力学性能有所差异，因此掌握不同约束方式下弯桥内力、支反力、裂缝等指标的规律至关重要，可以为城市匝道桥工程设计提供参考.

本文以一座小半径曲线梁桥为例，选取了城市匝道桥设计过程中最为常见的两种结构约束方式，即固定支座+活动支座与墩梁固结+活动支座形式，建立了不同约束方式下结构有限元模型，分析了不同约束方式下结构力学性能特点，得出了相关结论.

1 工程概况

以长沙市某互通匝道桥(图1)为例，该匝道桥跨径布置为4×20m+4×20m+4×20m，桥梁总长240m.

上部结构为等截面钢筋混凝土箱梁，单箱双室截面，悬臂长度为1.6m，横断面总宽10.0m，底宽5.0m，顶、底板厚度均为0.22m，翼缘板厚度为0.18m，边腹板厚度由跨中0.4m渐变至支点位置0.6m，中腹板厚度由跨中0.55m渐变至支点位置0.6m，钢筋混凝土箱梁梁高均为1.6m，本文以该匝道桥第二联作为研究对象，第二联桥梁平面曲线半径R=60m.

为了研究城市匝道桥不同约束方式作用下结构力学性能，分别设计固定支座+活动支座与墩梁固结+活动支座形式，定义约束方式A为P99墩曲线外侧为固定支座，其余9个支座均为单向或双向活动支座，定义约束方式B为P99墩为固结墩，曲线外侧为双向活动支座，曲线内侧为单向活动支座.

2 有限元模型

采用MIDAS CIVIL2020建立不同约束方式下桥梁结构有限元模型(图2)，本次约束均采用与桥梁实际状况一致的模拟方式，约束方式A对应Model-A，有限元模型共93个节点，82个单元，约束方式B对应Model-B，有限元模型共107个节点，98个单元.本次有限元计算荷载部分均考虑结构自重、二期恒载、整体升温(+30℃)、整体降温(-30℃)、梯度升温及梯度降温(梯度温度参考《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015))、支座沉降(-5mm)，移动荷载根据《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)第10.0.5条计算.

3 计算结果分析

3.1 约束方式对匝道桥曲线梁内力的影响研究

为了直观分析约束方式不同连续弯桥结构力学性能，分别计算了基本组合、汽车荷载作用下结构内力，结果见图3.

弯桥在荷载作用下存在扭矩的特性，本文对不同约束方式时结构扭矩进行计算分析，由于荷载作用下扭矩最大值均发生在支座位置，仅对各支点扭矩进行对比分析，结果见表1.

由图3可知，对于城市匝道桥中常见的四跨连续梁，基本组合作用下，相较于固定支座+活动支座匝道桥，采用中墩位置墩梁固结约束形式的匝道桥荷载作用下边跨跨中及支点弯矩均有所增大，变化幅度在2%～3%，中跨跨中弯矩均有所减小，变化幅度在5.5%～6%，墩梁固结位置，支点弯矩明显增大，变化幅度为19.5%.

由表1可知，不同约束方式荷载作用下，除墩梁固结位置外，其余支点位置扭矩均有所增大，变化幅度在0.8%～1.2%，墩梁固结位置，支点扭矩明显减小，变化幅度为11.1%.

表1 基本组合作用下不同约束方式扭矩表(kN·m)

由图3(b)可知，当墩梁固结后，上部结构传递至桥墩弯矩、扭矩较大，若桥墩高度较小，刚度较大，下部结构受力较为不利.

因此城市匝道桥约束方式设计过程中，当采用中墩位置墩梁固结形式时，基本组合作用下，除墩梁固结位置处结构弯矩、扭矩有所增大外，上部结构其余位置受力变化较小.由于城市匝道桥往往纵坡较大并设置超高，结构在温度、混凝土收缩徐变作用下易出现爬移现象[8-11]，当桥墩为柔性桥墩时，设置墩梁固结将大大提高结构抗倾覆能力及抗爬移能力.

3.2 约束方式对匝道桥支座反力的影响研究

定义弯桥支座编号见图4，分别计算弯桥恒载、活载、标准组合、基本组合作用下支座反力，不同荷载作用下桥梁结构支反力对比见表2.

表2 不同约束方式各支座反力表

由表2可知，荷载作用下，弯桥梁端曲线外侧支反力均大于曲线内侧支反力，相较于固定支座+活动支座匝道桥，采用中墩位置墩梁固结约束形式的匝道桥荷载作用支反力均较小，但是变化幅度小，在设计过程中，除墩梁固结位置外，可以忽略约束方式对支反力的影响.

3.3 约束方式对匝道桥抗裂性能影响研究

钢筋混凝土连续弯桥跨中最大裂缝均发生在箱梁底板，支点位置最大裂缝位于箱梁顶板，因此，本文以各跨跨中节点、墩顶节点为研究对象，计算正常运营状态下上部结构裂缝宽度，基于midas civil后处理RC设计功能，不同约束方式正常运营状态下，连续弯桥裂缝宽度见图5.

本次计算采用相同的普通钢筋布置方式，由图5可知，正常使用极限状态下，不同约束方式下上部结构抗裂性能均满足规范要求，较于固定支座+活动支座匝道桥，采用中墩位置墩梁固结约束形式的匝道桥边跨跨中底板裂缝有所增加，边支点顶板裂缝宽度有所减小，但裂缝宽度变化幅度均在5%以内，与墩梁固结位置相关的桥跨跨中底板裂缝均明显减小，裂缝宽度变化幅度在11%～12%，中墩位置墩梁固结后，顶板裂缝宽度明显增大，变化幅度为19.5%.因此，城市匝道桥采用墩梁固结后，应加强墩梁固结桥墩顶板抗裂性能.

4 结论

(1)相较于固定支座+活动支座匝道桥，采用中墩位置墩梁固结约束形式的匝道桥基本组合作用下，除墩梁固结支点弯矩明显增大、扭矩明显减小外，其余位置弯矩、扭矩变化较小.

(2)城市匝道桥设计过程中，相较于固定支座+活动支座匝道桥，采用中墩位置墩梁固结约束形式时，其余支座支反力变化较小.

(3)中墩位置墩梁固结后，顶板裂缝宽度明显增大，其余位置裂缝宽度变化较小，设计过程中可在墩梁固结位置上缘做局部加强.