城市立交橋中單支墩曲線匝道橋的整體失穩及其橫向爬移問題分析與對策

李學治

摘 要：對于橋梁三維空間結構體系，特別是大跨徑的橋梁，其穩定性變的越來越重要，已經成為結構計算重要因素之一；通常穩定性問題分為兩類，第一類穩定性問題歸結為求解特征值問題，第二類穩定性歸結為極限承載力問題，其與實際結構比較吻合；通過有限元理論計算實現求解極限承載力。并分析了曲線梁橋平面位移的機理，探討了影響平面位移的主要因素，并結合工程實例對影響因素進行了驗證。

關鍵詞：曲線梁橋；穩定；橫向爬移；溫度效應；有限元

是橋梁工程中經常遇到力學中的穩定問題，與其強度問題有著同等重要的意義。隨著橋梁跨徑的不斷增大，橋墩的高聳化、箱梁薄壁化以及高強材料的應用，結構整體和局部的剛度下降，使得穩定問題顯得比以往更為重要。

幾乎所有的橋梁工程中的穩定問題都應屬于極值點失穩問題，在橋梁設計中，采用極限承載力設計，極限承載力是從“極限設計”的思想中引出的概念，而傳統的“強度設計”以構件最大工作應力乘以安全系數等于材料的屈服應力為依據。

連續曲線梁橋在使用過程中，由于預加力、溫度效應、車輛行駛或一些其他影響因素的作用，會產生側向的變位。由于曲線梁橋的結構特點、支承形式等原因，當外荷載等影響因素消失后，彎梁發生的側向變位并不能夠完全恢復，會產生部分不可恢復的殘余位移，在長期反復作用下，側向的殘余位移就會累積，產生較大的位移。曲線梁橋的側向位移問題輕則導致梁段伸縮縫的剪切破壞，影響其使用壽命；嚴重的則會出現支承結構破壞，梁體滑移和翻轉。

一、影響曲線梁橋平面位移的因素

（一）支承方式。支承方式是影響曲線梁橋平面位移的內在因素，支承方式直接影響全橋的內力分布，合理的支承方式可以承受自重和活載、偏載等因素所產生的組合扭矩作用，限制結構的平面位移。曲線梁橋可以采用多種支承布置形式。理論上講，連續曲線梁橋的所有支承均可采用點鉸支承，但在荷載作用下梁端將產生扭轉變形，從而在梁端與橋臺背墻間產生上下相對變形，這會導致伸縮縫破壞。一般在兩端的橋臺設置能抵抗外扭矩的抗扭支座，中間支承可以采用抗扭支承，或點鉸支承，或者交替使用兩種支承形式，從而限制梁端的扭轉變形，以保證伸縮縫正常工作。

主梁在各種荷載作用下，除了梁端扭轉變形外，在支座位置處還會產生縱橋向與橫橋向的變位，為了保證結構的正常工作，總希望沿著“切線方向”移動。為此，除了在橋臺處設置抗扭支座外，還必須采取一些“限制措施”，一般可以在活動端的定向切線支座上安置“限制位移方向”的措施，以保證橋頭的位移能符合“切線方向”的運動要求，但在設計計算時，必須計及這個“強制力”的影響。根據具體橋型，充分考慮各種因素，設置合理的支承方式，就可以使曲線梁橋的平面變形順著目標方向進行，阻止非正常變位的發生。

（四）預應力影響。曲線梁橋的預應力鋼束不僅有平面彎曲同時還有沿梁高度方向的豎向彎曲，這樣預應力鋼束徑向力的作用點總是沿梁高度方向在變化。當其作用點位于主梁截面剪切中心以上或以下時，鋼束徑向力就會對主梁產生扭轉作用（見圖3），位于截面剪切中心以上的鋼束徑向力產生的扭矩方向與位于截面剪切中心以下的鋼束徑向力產生的扭矩方向是相反的。兩者的扭矩之和構成了預應力鋼束對曲線梁的整體扭轉作用。當MT上大于MT下時，主梁就產生向圓心方向的扭轉，反之主梁則產生背離圓心方向的扭轉。這樣預應力鋼束就會引起曲線梁向內偏轉或向外偏轉的情況。預應力混凝土曲線梁往往產生向外偏轉的情況，這是其結構特點造成的。任何橋梁的主梁都是以受彎為主的構件，所以預應力鋼束應首先滿足縱向彎矩的受力要求。對于連續梁，正彎矩區段的長度遠大于負彎矩區段的長度，所以相應的預應力鋼束重心位于主梁底部的長度遠大于位于主梁頂部的長度。這使得預應力徑向力產生的MT上大于MT下，所以預應力產生的總扭矩是向曲線外側翻轉的，相應地彎箱梁內側支座將會產生拉反力，外側支座成壓反力狀態。

預應力引起的位移是沿著結構切線方向的，與橋梁支座與伸縮縫的設置是不矛盾的。但預應力產生的總扭矩是向曲線外側翻轉的，相應地彎箱梁內側支座將會產生拉反力，外側支座成壓反力狀態。這對曲線梁橋的平面變位是不利的，在與其他荷載共同作用時，將加速橋梁的橫向變位。

二、有限元分析

橋梁結構極限承載能力的實質就是第二類穩定問題極值點判定，對于極值點問題通常采用有限元理論分析，通過求解計入幾何非線性和材料非線性對結構剛度矩陣的影響，根據平衡方程，尋找其極限荷載的過程，結構在不斷增加的外載作用下，結構剛度不斷發生變化，當外載產生的壓應力或剪應力使得結構剛度矩陣趨于奇異時，結構承載能力就達到了極限，此時的外荷載即為結構的極限荷載。

三、結論

目前較多采用有限元理論進行分析橋梁結構的極限承載力和判定穩定性，可用其進行極限設計，也可了解其結構破壞的形式，較為準確地了解結構在已知荷載下的狀況，為結構安全施工和正常使用提供較為可靠的依據。 曲線梁橋會在平面內出現橫橋向位移，這種位移是由于在荷載的反復作用下，主梁的橫向變位不能夠完全、及時地恢復，隨著時間的延長而發生累積。梁體在外界因素的影響下，發生橫向向外側的扭轉變形，梁體的扭轉變形又使得梁體的部分支座出現脫空，一旦支座脫空，梁體會失去抗扭約束，繼而扭轉變形加劇。設置合理的支承方式是限制梁體平面位移的內在因素，也是最關鍵的因素。溫度荷載、預應力、收縮徐變、汽車荷載（離心力和制動力）等是影響曲線梁橋平面位移的外在因素，在設計時必須充分考慮。

參考文獻：

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