混凝土連續(xù)彎梁橋“橫向爬移”研究

侯克鵬

【摘 要】工程實(shí)際中混凝土連續(xù)彎梁橋得到廣泛應(yīng)用，主梁“橫向爬移”是混凝土連續(xù)彎梁橋的典型病害。論文回顧了彎梁橋橫向爬移的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了彎橋的結(jié)構(gòu)特征。以鄭州環(huán)城高速某匝道橋?yàn)槔⒂邢拊Ｐ汀Σ煌奢d作用下支座支反力進(jìn)行分析，對比均勻溫度與梯度溫度單獨(dú)作用下對橫向爬移量的貢獻(xiàn)。

【Abstract】 In practical， engineering concrete continuous curved girder bridge girder is widely used， "Horizontal Creeping" is a typical disease of concrete continuous curved girder bridge. This paper reviews the research status of the horizontal creeping of curved bridge， summarizes the structure characteristics of curved bridge. Taking a ramp bridge of circular expressway in Zhengzhou， paper establishes the finite element model， analyzes the bearing force under different load， compares the effects on horizontal creeping of uniform temperature and gradient temperature.

【關(guān)鍵詞】連續(xù)彎梁橋；橫向爬移；結(jié)構(gòu)特征

【Keywords】continuous curved girder bridge； horizontal creeping； structural characteristic

【中圖分類號】TU37 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0179-02

1 橫向爬移研究現(xiàn)狀

國外的彎梁橋橫向爬移現(xiàn)象并不常見。歐美鋼橋多，養(yǎng)護(hù)較好，故此問題不明顯，經(jīng)過查閱最新國外資料，發(fā)現(xiàn)有關(guān)彎梁橋橫向爬移的相關(guān)資料很少。在我國彎梁橋的橫向爬移現(xiàn)象十分普遍，我國學(xué)者在曲線梁橋的橫向爬移問題上做過很多研究。

2 混凝土連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)特征

2.1 力學(xué)特點(diǎn)

①彎、扭耦合作用。當(dāng)外荷載作用時，截面內(nèi)產(chǎn)生彎矩（扭矩）的同時，必然地伴隨著產(chǎn)生耦合扭矩（彎矩），其變形亦如此，且無論是恒載還是工作荷載作用。②受力不均勻現(xiàn)象。由于扭矩的存在，彎橋外邊緣彎曲應(yīng)力大于內(nèi)邊緣，外邊緣撓度大于內(nèi)邊緣，即使等截面主梁承受均勻荷載，此現(xiàn)象依然存在。③圓心角與彎扭剛度比對內(nèi)力的影響復(fù)雜。

2.2 荷載特點(diǎn)

除一般直橋的荷載特點(diǎn)處，主要表現(xiàn)在：①離心力是彎橋特有的與橋軸線垂直的水平荷載。在曲率半徑小于250米時，應(yīng)計(jì)及其作用。②彎橋沖擊力的研究還不夠深入，目前多以與橋軸弧線長相同的直橋計(jì)算，且對彎曲沖擊和扭轉(zhuǎn)的沖擊不作區(qū)分，略顯粗糙。

2.3 支承布置特點(diǎn)

對于兩端設(shè)抗扭支承的超靜定曲梁，支承的偏心只能改變支承處各個支座上的反力分布而絕不能改變梁的扭矩分布。如果一側(cè)支承斜向變化時，該支點(diǎn)截面隨斜角的增大而增加負(fù)彎矩。而斜角需到某一個負(fù)角內(nèi)，該截面都有正彎矩產(chǎn)生。此負(fù)角度將隨彎扭剛度比值的增大而增大。這里規(guī)定當(dāng)曲梁半徑順時針轉(zhuǎn)動與斜支承線重合時，所得到的銳角為正角，反之則為負(fù)角。

中間設(shè)置偏心鉸支承的連續(xù)曲梁，受力性能比全抗扭支承或中間為中心鉸支座具有更大的優(yōu)越性。中間鉸支點(diǎn)在外側(cè)方向預(yù)設(shè)一定的偏心值，可以調(diào)整梁內(nèi)的扭矩分布，有利于曲梁的扭矩改善。事實(shí)上，偏心點(diǎn)鉸支承連續(xù)曲梁的內(nèi)力，可以看成是由中心支承時連續(xù)曲梁的內(nèi)力和中心支承連續(xù)梁上作用的偏心支承中扭矩的內(nèi)力兩部分組成。支承偏心只能調(diào)整曲梁的扭矩，但不能絕對消除扭矩。

3 混凝土連續(xù)彎梁橋分析

3.1 彎橋計(jì)算理論

彎橋的計(jì)算理論可以幫助我們更加清晰地了解彎橋的工作性能，對彎橋的細(xì)節(jié)問題可以更加深入、準(zhǔn)確地把握。彎橋的分析方法多種多樣，原蘇聯(lián)學(xué)者符拉索夫創(chuàng)立了開口截面彈性薄壁理論，建立了開口截面彈性薄壁圓弧曲桿平衡微分方程。

基于純扭轉(zhuǎn)理論的分析方法目前應(yīng)用較為廣泛，很多情況下其精度能滿足工程應(yīng)用，除結(jié)構(gòu)力學(xué)方法、能量原理外，還有傳遞矩陣法、力矩分析法、三力矩方程法等均屬此范疇[1]。

考慮翹曲扭轉(zhuǎn)的彎梁分析理論雖然精確，但尋求其解難度大，往往需借助數(shù)值計(jì)算（如差分法、有限元法）來求解。另外，眾多學(xué)者提出了各種計(jì)算方法，如高島春生、C.P漢斯的梁格理論，Goldberg和love的折板理論，田村周平的多角形理論等。

3.2 混凝土連續(xù)彎梁橋?qū)嵗治?/p>

本文鄭州西南繞城高速軍楊互通式立交橋，某匝道橋?yàn)楣こ瘫尘啊Ｔ摌驗(yàn)?跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)彎梁橋，總跨徑120m，截面類型是單箱單室，橋?qū)挒?.5m，曲率半徑m。

3.2.1 實(shí)例計(jì)算模型

計(jì)算模型基于空間模型進(jìn)行分析。本文采用MIDAS/CIVIL程序，利用梁格法進(jìn)行建模。依據(jù)《橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）等規(guī)范要求，對模型施加荷載。上部結(jié)構(gòu)劃分128個單元，129個節(jié)點(diǎn)。橫隔板處采用空心截面，將橫隔板處的實(shí)心段轉(zhuǎn)換為集中荷載，施加在相應(yīng)位置。

3.2.2 支座支反力分析

恒載占支反力的比重最大，活載次之。彎梁橋在荷載的作用下，由于曲率半徑的存在，彎梁橋端部內(nèi)外側(cè)支座的豎向支反力呈現(xiàn)出不平衡，且是內(nèi)側(cè)支座的豎向支反力小于外側(cè)支座的豎向支反力，不利情況下內(nèi)外側(cè)支座支反力相差6倍。在荷載作用下內(nèi)側(cè)支座很易出現(xiàn)不利的狀態(tài)，易向外側(cè)傾斜造成了一定的橫向爬移。溫度因素（均勻溫度與梯度溫度）對支反力的影響不大，相對其他因素不到百分之一，支反力可以不考慮溫度的影響。預(yù)應(yīng)力與活載可以造成支座出現(xiàn)負(fù)支反力，預(yù)應(yīng)力引起的支反力接近活載的3倍。支座支反力變化導(dǎo)致徑向的摩阻力發(fā)生變化，這對彎梁橋的橫向爬移約束不利。endprint

3.2.3 預(yù)應(yīng)力力分析

混凝土連續(xù)彎梁橋在預(yù)應(yīng)力的作用下，相比連續(xù)直梁橋多一個徑向分力，徑向分力對彎梁橋的扭矩影響很大。本文的MIDAS模型全橋采用對稱形式沿全橋不知預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力對混凝土連續(xù)曲線梁橋扭轉(zhuǎn)影響很大，且是不利影響，預(yù)應(yīng)力施加后曲線梁橋各個截面在扭矩的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角，增加梁體外翻與橫向爬移的可能性。過大的預(yù)應(yīng)力會導(dǎo)致彎橋的扭矩過大，可能引起內(nèi)支座出現(xiàn)負(fù)反力，支座脫空等問題。預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致曲線梁橋扭矩增大的原因主要是其徑向與豎向兩個方向的分力，預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)與剪心不重合而產(chǎn)生扭矩。在對稱布筋的情況下，豎向分力在剪心兩側(cè)基本平衡，引起的扭矩不大，而徑向分力則對于扭矩產(chǎn)生有較大貢獻(xiàn)。

3.2.4 溫度分析

溫度分析包括均勻溫度和梯度溫度。本文有限元模型對均勻溫度分析是對全橋升溫20℃來分析。本橋有5cm的瀝青混凝土鋪裝，根據(jù)規(guī)范對于橋梁結(jié)果溫度梯度效應(yīng)采用圖與規(guī)范規(guī)定。橋上表面溫度T1取20℃，T2取6. 7℃來模擬溫度梯度。選取彎橋徑向位移作為分析對象，分析主梁的徑向位移在均勻溫度與梯度溫度作用下的差別。 主梁在均勻溫度作用下產(chǎn)生明顯的徑向位移（注：徑向位移為向曲梁外側(cè)為正，內(nèi)側(cè)為負(fù)），在橋梁端部達(dá)到3.5mm，而在梯度溫度下橋梁的最大徑向位移約為0.01mm。即溫度梯度作用對于彎橋的橫向爬移影響不大，溫度對混凝土連續(xù)彎橋的影響主要是均勻溫度。

3.2.5 汽車荷載

在彎梁橋的順橋向在有支座處的徑向位移，小于相鄰兩支座之間的梁體徑向位移。車輛引起梁體整體向外側(cè)移動，由于支座處有約束，支座處的徑向位移小于相鄰支座之間的。車輛行駛在曲線梁橋上，在短時間內(nèi)引起的徑向位移量很小。車輛荷載對橋梁有豎向力、切向力和徑向力（離心力）三種力的作用。梁體由于汽車的偏心形式，在豎向力的作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。徑向力是在間隔時間很短中不斷施加給梁體，且梁體發(fā)生橫向位移后，當(dāng)引起其爬移的因素消失后，側(cè)向位移并不能全部恢復(fù)，產(chǎn)生殘余位移，長期累積后會產(chǎn)生梁橋的爬移現(xiàn)象。

4 總結(jié)

本文以鄭州某匝道橋?yàn)槔瑢π】鐝筋A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋橫向爬移的影響因素進(jìn)行了分析。由于混凝土的收縮徐變作用原理與溫度效應(yīng)類似，在文章中沒有提起。預(yù)應(yīng)力本身不易引起彎梁橋的橫向爬移，但產(chǎn)生的扭矩增加了梁體向外翻和橫向爬移的可能性[2]。溫度效應(yīng)的均勻溫度是造成橫向爬移的主要因素，梯度溫度對徑向位移沒有明顯的影響。汽車荷載短期內(nèi)造成的徑向位移很小，但其具有長期性，殘余位移積累造成明顯的橫向爬移。

5 展望

本文僅對混凝土連續(xù)彎梁橋橫向爬移常見因素進(jìn)行分析，總結(jié)了一些有意義的結(jié)果。由于彎橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其橫向爬移的研究需進(jìn)一步加深，如考慮橋墩高度（抗推剛度）、跨徑組合、圓心角與彎扭剛度比等的影響。

可以通過對實(shí)際的彎橋進(jìn)行一定規(guī)模、長期的實(shí)驗(yàn)，記錄溫度、車輛（速度與軸重）等與橫向爬移有關(guān)的因素作用下彎橋的實(shí)際徑向位移量。在已有大型有限元軟件的基礎(chǔ)上，編寫程序建立仿真模型。利用實(shí)驗(yàn)實(shí)測值對比程序計(jì)算值，不斷優(yōu)化仿真模型，并使之可視化，從而明確彎橋的橫向爬移機(jī)理，這將對彎橋的設(shè)計(jì)與加固具有重要的指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

【1】邵榮光，夏淦.混凝土彎梁橋[M].北京：人民交通出版社，1994.

【2】吳選濤，周志祥，曾凡江.曲線梁橋蓋梁擋塊裂縫分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（1）： 1-4.endprint