等跨曲線連續剛構橋與連續梁橋溫度效應分析★

劉凱樂 占雪芳

(中南林業科技大學，湖南 長沙 410004)

1 概述

到目前為止國內外有多起曲線橋事故，輕則導致梁平移以及裂縫的出現，嚴重則致使橋梁坍塌。位于新西蘭新市場的一座預應力混凝土箱梁高架橋，由于日照作用梁體產生很大的溫差致使該橋損毀嚴重，不得不重新修復[1]。同樣，國內也有類似的情況發生，深圳的一座混凝土互通式立交橋在日照作用下突然產生曲線外側的整體位移和轉動，致使交通中斷，所幸沒有造成重大的人身傷亡事故[2]。2019年10月，江蘇一座獨墩曲線連續橋由于單側超載導致橋面發生滑落和傾覆。曲線梁橋由于墩梁未固結，在溫度荷載和超載作用下梁體易發生傾覆，是一種脆性破壞。若將其改造為墩梁固結的曲線連續剛構橋，將擁有更高的抗傾覆和滑落能力。

曲線梁橋在溫度作用下的內力與變形,國內外橋梁工作者做了大量的研究工作。KM Sennah[3]在文獻中指出溫度變化引起曲線橋平面內的位移是弧段膨脹或收縮性質的位移,在橋梁活動端將引起和橋軸線相垂直的位移分量,此位移使伸縮縫的活動在構造上會發生困難。同時,加拿大安大略省公路橋涵設計規范也指出,曲線梁橋發生溫度變形時會發生兩個方向的位移分量:沿橋軸向方向的位移分量和沿橋軸線垂直方向的橫向分量[4-10]。

但國內外學者對曲線連續剛構在溫度作用下內力與位移分析較少，為了解曲線連續剛構橋的溫度效應。本文以新疆某擬建大跨曲線連續剛構橋為例，通過與同等跨徑曲線連續梁橋的溫度效應進行對比分析，來驗證曲線連續剛構橋的抗傾覆能力。

2 工程概況

某擬建大跨徑曲線連續剛構橋位于新疆省烏魯木齊市，全長(82+4×150+82)m，主跨150 m，橋面寬15 m，主梁采用C55混凝土，支點梁高9.5 m，跨中梁高為3.8 m，如圖1所示。橋位隸屬中溫帶大陸性干旱氣候，7月、8月最熱，平均氣溫25.7 ℃；1月最冷，平均氣溫-15.2 ℃。

3 橋梁模型簡介

3.1 大跨曲線連續剛構橋模型

用空間梁單元建立了新疆擬建橋的成橋階段模型如圖2所示，共劃分了698個梁單元，709個節點，該橋的曲率半徑為1 600 m，箱梁采用C55混凝土，混凝土熱膨脹系數α為1×10-5，彈性模量取為3.53×104MPa。

3.2 大跨曲線連續梁橋模型

同時建立了一座同等跨徑的曲線連續梁橋模型作為對比分析對象，其基本參數與曲線連續剛構橋相同。該橋模型如圖3所示，共劃分了178個梁單元，179個節點，該橋曲率半徑也是1 600 m。唯一不同的是曲線連續梁橋通過支座傳遞與墩之間的相互作用力。

4 計算結果對比

4.1 溫度作用

分析的溫度作用主要包括；系統升降溫，溫度梯度變化。由于該擬建橋位于新疆地區，依據JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范，溫度作用荷載如表1所示。

表1 新疆地區溫度 ℃

通過分別施加各種溫度作用工況，對比各種工況下梁單元軸向應力，最大主應力(主拉應力)，最小主應力(主壓應力)以及各種位移。

4.2 應力與變形計算結果對比

4.2.1系統升溫作用

單元22,56,90,123,157是曲線連續剛構橋與曲線連續梁橋的支點單元。系統升溫時，兩橋的軸向應力、最大主應力、最小主應力和豎向、徑向、切向位移對比結果如圖4所示(應力以拉為正，豎向位移以向下為正，切向、徑向位移以向內為正)。

從圖4a)來看，系統升溫后，曲線連續剛構橋全截面受壓，由于梁墩固結，應力容易集中，其最大軸向壓應力為0.26 MPa，略高于曲線連續梁橋。

從圖4b),圖4c)來看，曲線連續剛構橋與曲線連續梁橋的主應力變化趨勢基本保持一致。系統升溫后，梁體從溫度中心(單元91附近)向兩側膨脹，曲線連續剛構橋最大、最小主應力都在單元32以及單元148(兩次邊跨靠近跨中處)達到極值，分別為1.3 MPa(拉應力)和-1.61 MPa(壓應力)。而曲線連續梁橋最大、最小主應力都在單元8以及單元172(兩邊跨靠支點處)達到極值，分別為0.90 MPa(受拉)和-1.24 MPa(受壓)。曲線連續剛構橋的最大、最小主應力的絕對值都要比曲線連續梁橋大，可以看出曲線連續剛構受系統升溫的影響更大。

從圖4d)來看，由于沒有考慮曲線連續梁橋的支座變位及橋墩的影響，其豎向位移基本保持不變為0；而曲線連續剛構橋由于考慮梁墩的系統溫升作用在節點35和節點145(兩次邊跨跨中處)處豎向位移最大56.0 mm，中間梁體的豎向位移基本保持平穩，持續在42.0 mm～47.0 mm。

從圖4e),圖4f)看，由于曲線連續剛構橋梁墩固結共同承擔溫度引起的側向變形，因此曲線連續剛構橋的徑向、切向位移均小于曲線連續梁橋，且曲線連續剛構橋的切向、徑向位移沿溫度中心對稱分布，而曲線連續梁橋的切向、徑向變形是逐漸向外增大的。曲線連續剛構橋的最大切向位移比曲線連續梁橋減少了1.6倍，最大徑向位移減少了1.5倍，溫度中心處最小差值在10 mm左右。結果說明曲線連續剛構橋由于梁墩固結增強了其抵抗系統整體升溫梁體側翻的能力，也解釋了深圳華強北立交橋倒塌的原因。

4.2.2系統降溫作用

系統降溫時，曲線連續剛構橋和曲線連續梁橋的受力與系統升溫時的變化規律基本保持一致，只是受力方向和位移變化方向相反。

4.2.3溫度梯度(升溫)作用

從圖5a)來看，溫度梯度升溫后，梁橋的變化規律與系統升溫相同，但數值減少較多，曲線連續剛構橋的最大軸向壓應力為0.012 MPa。

曲線連續剛構橋與曲線連續梁橋的主應力變化趨勢基本保持一致，所以就沒有擺出圖來。溫度梯度升溫后，兩座橋最大、最小應力都在每跨橋的跨中達到極值，最大值分別為1.55 MPa(拉應力)和-4.7 MPa(壓應力)。

從圖5b)來看，兩橋的豎向位移變化規律基本一致，且在個別點曲線連續梁的豎向變形略大于曲線連續剛構橋，因此梁墩固結對抵抗溫度梯度荷載的作用是有益的。

從圖5c),圖5d)來看，溫度梯度升溫引起的兩梁橋切向、徑向位移較整體升溫很小，且變化規律與系統升溫基本一致。

4.3 溫度梯度(降溫)作用

溫度梯度降溫時，曲線連續剛構橋和曲線連續梁橋的受力與溫度梯度升溫時的變化規律基本保持一致，只是受力方向和位移變化方向相反。

5 結論

通過對同跨徑的曲線連續剛構橋與曲線連續梁橋在溫度荷載作用下的受力性能進行分析，對比了在四種常見的溫度荷載(系統升降溫，溫度梯度變化)作用下結構的應力以及位移曲線，得到以下結論：

1)系統升降溫時，曲線連續剛構橋由于梁墩固結，其軸向應力、主應力和豎向變形均高于曲線連續梁橋，但梁體切向和徑向位移均小于曲線連續梁橋。

2)溫度梯度升降溫時，曲線連續剛構橋的梁墩固結對其軸向應力、最大、最小主應力和豎向變形影響不大，但對梁體切向和徑向位移的影響較大，均遠小于曲線連續梁橋。

3)以上結果表明溫度對曲線連續梁橋和曲線連續剛構橋的受力有較大的影響，對比分析結果表明曲線連續剛構由于梁墩固結，顯著的減少了溫度引起的梁體的切向、徑向變形，應力分布更加均勻，且曲線連續剛構橋的墩、梁、基礎三者固結、方便施工，滿足“少支座少伸縮縫”的要求，高橋墩的設計也減小了溫度應力以及切向、徑向位移的影響，因此推薦對于大跨徑曲線梁橋采用曲線連續剛構型式。