裝配式寬幅連續梁橋支座受力研究

鄢穩定, 郭風俊, 時元緒, 鄧淇元, 鄔曉光*

(1. 長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064; 2. 山西省高速公路集團有限公司, 山西 太原 030000)

隨著社會經濟的快速發展,公路網規模不斷擴大,車流量及汽車行駛速度也隨之增大.為了保證城市交通的安全與暢通,城市道路不斷拓寬.裝配式寬幅連續梁橋由于預制簡單、整體性好、跨徑較大、統一運輸安裝等優點得到廣泛的推廣運用,在橋梁建設中扮演著越來越重要的角色[1],尤其在城市主干道橋梁設計中,寬跨比大于1的橋梁日益增多[2-3].然而,由于支座受力及布置不當帶來橋梁的病害實例屢見不鮮,比如支座脫空、梁體翹曲、梁體側移、側傾等.因此,對橋梁支座進行準確的受力分析,并設置合理的支座布置形式是保證裝配式寬橋正常運營的重要因素[4-8].

目前梁橋支座研究主要集中于窄橋支座結構分析和支座的疲勞性能研究[9-10],對于寬橋的支座受力及布置研究還比較少.李枝軍等[11]研究了寬跨比為1.00的超寬橋的地震反應特點,指出了超寬橋在橫向地震作用下支座的反力和剪力較大,且分布嚴重不均勻,從抗震的角度對支座進行了優化布置;王珊珊等[12]指出超寬橋的地震反應明顯大于普通橋,其支座剪力達到普通橋的2～4倍;程建旗等[13]對異形寬幅連續箱梁橋支座反力進行了分析,提出對于支座橫向布置不對稱的橫梁結構,可以通過橫梁鋼束產生的二次力對支座反力進行重新分配調整,使得支座恒載反力趨于均衡.從現有的研究成果來看,寬跨比為0.75以上的寬橋支座受力分析和優化還存在不足.

本文從寬跨比方面探究了裝配式寬幅連續梁橋的支座受力,由于在實際施工中,裝配式連續梁橋通常采用多片T梁或多片小箱梁通過濕接縫和橫隔板連接而成,且一般為中小跨徑,故本文選取具有較強代表性的貴州某工程項目實際的裝配式連續T梁和連續箱梁橋設計通用圖紙,對于此類橋梁并在此基礎上通過改變梁片數增大橋面寬度,進而得到一系列寬跨比,然后采用MIDAS/Civil建立不同寬跨比的裝配式連續T梁橋和裝配式連續箱梁橋的有限元模型.通過比較分析寬跨比增大時支座的受力及位移,得出支座受力和位移隨寬跨比的變化關系,從而提出合理的支座布置方式及建議,并為類似橋梁的支座設計及布置提供參考.

1 工程依托

本文以貴州地區2座裝配式寬橋為工程依托展開研究,1座為裝配式預應力連續T梁橋,汽車載荷等級為公路-Ⅰ級,橋跨布置為4×20 m,橋面寬度為15 m,共計6片T梁,每片梁寬2.5 m,通過濕接縫和橫隔板連接,每跨設置4道橫隔板,橋梁上部結構采用C50混凝土,預應力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa、公稱直徑15.20 mm的低松弛高強度鋼絞線.另1座為橋跨3×30 m的裝配式預應力連續箱梁橋,汽車載荷等級為公路-Ⅰ級,橋面寬度為24 m,共計8片箱梁,每片梁寬3.0 m,每跨設置5道橫隔板,上部結構采用C55混凝土,預應力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa、公稱直徑15.20 mm的低松弛高強度鋼絞線.2座橋梁均考慮橋梁結構受溫度的影響,整體升溫按照+22 ℃,整體降溫按照-22 ℃,梯度溫度正負溫差按10 cm厚瀝青鋪裝考慮.支座布置方式均為1#橋墩處采用縱向固定支座,2#主梁處采用橫向固定支座,其余均為雙向活動支座.裝配式連續T梁橋梁端截面如圖1所示,裝配式連續箱梁橋梁端截面如圖2所示.

圖1 連續T梁橋梁端截面圖(單位:cm)Fig.1 End section of continuous T beam bridge (unit: cm)

圖2 連續箱梁橋梁端截面圖(單位:cm)Fig.2 End section of continuous box girder bridge(unit: cm)

2 有限元分析模型

為了準確模擬裝配式寬幅連續梁橋的空間受力特性, 采用梁格法分別建立裝配式連續T梁有限元模型和裝配式連續箱梁有限元模型, 支座布置位置與實際相同. 此外,為了更全面地考慮多種載荷所產生的支座效應, 選取1.2×(恒載荷+鋼束2次載荷)+1.0×(徐變2次載荷+收縮2次載荷)+1.4×移動載荷+1.05×(整體升溫載荷+溫度梯度升溫載荷)的基本載荷組合.橋梁模型如圖3、圖4所示.其中連續T梁有限元模型由1 109個節點,948個單元的梁格體系構成; 連續箱梁有限元模型由1 760個節點,1 591個單元的梁格體系構成. 2座橋梁在實際橋梁支座的基礎上, 通過計算得到各自的支座剛度, 然后在模型中相應位置處賦予一定剛度的彈性連接模擬支座, 進而算出支座在載荷組合下的準確受力及位移.

圖3、圖4分別是寬跨比為0.75和0.80的實橋有限元模型,在此基礎上通過增加主梁片數,再建立寬跨比為1.00(8片梁)、1.25(10片梁)和1.50(12片梁)的連續T梁橋模型和寬跨比為1.00(10片梁)、1.20(12片梁)和1.40(14片梁)的連續箱梁橋模型,并分別對其進行運行分析.

圖3 4跨連續T梁有限元模型Fig.3 Finite element model of four span continuous T beam

圖4 3跨連續箱梁有限元模型Fig.4 Finite element model of three span continuous box girder

3 支座受力分析

3.1 支座反力分析

從模型結果數據中提取不同寬跨比下的支座反力進行比較,裝配式連續T梁支座反力見表1及圖5,裝配式連續箱梁支座反力見表2及圖6.

由表1及圖5可知:對于裝配式連續T梁橋,中間墩支座的豎向反力最大,而且越靠近橋臺支反力越小,全橋支反力數值呈現凸曲線的特性.另外,寬跨比從0.75增大到1.50,支座豎向反力逐漸增大,但增加幅度相對較小,橋臺處反力為300 kN以上,而橋墩處支座反力為600 kN以上,約為橋臺的2倍.

圖5T梁支座豎反力變化規律

Fig.5VariationofverticalcounterforceofTbeambearing

表1 T梁各墩臺處支座豎反力平均值Table 1 Aaverage vertical counterforce of the abutment of T beam

表2 箱梁各墩臺處支座豎反力平均值Table 2 Average vertical counterforce of the abutment of box girders

圖6箱梁支座豎反力變化規律

Fig.6Variationofverticalcounterforceofboxbeambearing

對于裝配式連續箱梁橋,由表2及圖6可知:1#橋臺和2#橋臺處的支座豎反力隨寬跨比的變化規律曲線基本重合,1#橋墩和2#橋墩處的支座豎反力變化曲線也基本重合,這也側面反映出橋梁結構和受力的對稱性.隨著寬跨比的增大,橋臺和橋墩處的支反力數值都出現了較小的上下波動,但總體而言,支座豎反力基本不變.此外,橋臺處支座反力穩定在250 kN以上,橋墩處支座反力在500 kN以上,約為橋臺處的2倍.

3.2 支座順橋向位移

連續T梁橋的支座順橋向位移如表3所示,連續箱梁橋的支座順橋向位移如表4所示.

表3 T梁各墩臺處支座順橋向位移平均值Table 3 Longitudinal average displacement of supports at each pier of T beam

表4 箱梁各墩臺處支座順橋向位移平均值Table 3 Longitudinal average displacement of supports at each pier of box beam

由表3可以看出,對于裝配式連續T梁橋,含縱向固定支座的1#橋墩處,支座順橋向位移很小,幾乎可以忽略不計,并以其為中心,越靠近邊墩支座順橋向位移越大.隨著寬跨比從0.75增大到1.50,支座的順橋向位移變化很小,變化幅度在0.5 mm以內,位移值基本不變.

對于裝配式連續箱梁橋,由表4可知,布置縱向固定支座的1#橋墩處支座順橋向位移很小,但由其到橋端處支座順橋向位移越來越大.另外,寬跨比由0.80增大到1.40,各墩臺處支座的順橋向位移幾乎不變.

3.3 支座橫橋向位移

將不同寬跨比下的支座橫橋向位移進行比較,裝配式連續T梁橋的支座橫橋向位移見表5,裝配式連續箱梁的支座橫橋向位移見表6.

表5 裝配式連續T梁橋各主梁處支座橫橋向位移平均值

表6 裝配式連續箱梁各主梁處支座橫橋向位移平均值Table 6 Average lateral displacement of supports at each main girder of assembled continuous box girder

對于連續T梁的支座橫橋向位移,由表5可以看出,2#主梁布置的是橫橋向固定支座,其位移很小,幾乎為零,并以2#主梁為中心,越靠近邊梁支座橫橋向位移越大,但位移值總體較小.隨著寬跨比的增大,支座橫橋向位移也在緩慢增大,但增加值較小,且最大位移量僅為5.65 mm,一般活動支座均能滿足要求.

從表6可以得出,連續箱梁的支座橫橋向位移的變化規律與連續T梁的基本一致,且寬跨比從0.80逐漸增加到1.40時,支座橫橋向位移也逐漸增加,但增加幅度較小,最大位移量僅為8.15 mm,一般活動支座也均能滿足要求.

4 結 論

(1) 對于跨徑一定的裝配式連續梁橋,隨著寬跨比的增大,各墩臺處的支座豎向反力總體保持穩定,數值基本不變,且橋墩處反力約為橋臺的2倍.因此,在支座布置時,橋臺處應布置承載力較低的支座,而橋墩處支座的承載力可約為橋臺的2倍.

(2) 中小跨徑的裝配式連續T梁橋或連續箱梁橋,當跨徑不變,寬跨比逐漸增大時,支座順橋向位移基本不變,支座橫橋向位移逐漸增大,但增加量較小.由此可知,寬跨比的增加對于橋梁支座的縱橋向位移基本沒有影響.

(3) 由數據分析可以得出,對于跨徑在30 m以下,且寬跨比在1.50以內的裝配式連續梁橋,寬跨比的增加對支座的橫橋向位移影響較小,一般活動支座都能滿足要求,所以在支座選型時可以不考慮.