不同下部結構對曲線橋梁橫向爬移的影響研究

郭秋雨

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著交通運輸的快速發展，為滿足一些特定的交通運輸規劃功能或線形需求，曲線橋梁成為首選，且日漸作為交通路線上重要的組成部分。曲線橋梁能夠很好地適應地形、地物的特定限制，并且由于其結構線條平順、流暢，在地區美學和文化等方面能給人帶來更優質的享受[1-2]。近些年來，我國關于曲線橋梁的大范圍修建，說明了我國曲線橋梁在研究、設計和施工等方面均達到了一定高度。

曲線梁橋由于具備彎扭耦合、梁內側和梁外側受力不均勻等復雜受力特征，其支座反力有外側大、內側小的傾向，在內梁中有產生拉力的可能，其受力特點與直線橋有很大區別[3-4]。而初期設計者所采用的設計計算理論并沒有考慮這些受力特性，一般都選用同等跨徑的直線梁橋進行近似計算，并根據個人經驗予以修正，如果在設計時候忽略這些關鍵因素不采取相應措施，就會導致曲線梁橋出現爬移問題[5]。焦馳宇等[6]采用Midas civil軟件以某城市曲線梁橋為背景，對其受力特點及變形特征進行分析，對橋梁出現的爬移病害進行分析評估。研究得出，混凝土收縮徐變、車輛荷載，溫度等作用均會使曲線橋產生爬移現象，其中離心力是引起曲線橋爬移的主要原因。孫繼剛[7]對吉林省某高速公路S型曲線梁橋用Midas Civil分析不同線形和支承形式下曲線梁橋的平面變形影響因素。研究得出，均勻溫度作用、梯度溫度作用都會對曲線梁橋的徑向位移產生影響，且曲率半徑越小，影響越大。

國內外對曲線橋梁橫向爬移的研究主要集中于自身荷載作用和外界荷載作用，而下部結構的布置形式對曲線橋梁橫向爬移影響研究相對較少。本文擬通過研究不同下部結構形式對曲線橋梁橫向爬移和內力增量的影響，綜合考慮經濟效益，得出對橫向爬移問題最為友好的下部結構形式。

1 曲線橋梁有限元模型

1.1 模型概況

利用有限元模擬分析軟件Midas Civil建立模型，以邊界條件的變化模擬不同下部結構型式。由于曲率半徑較大的曲線梁橋在各種因素的作用下橫向爬移不夠明顯[8]，本文主要對較小曲率半徑曲線橋梁進行建模。通過有限元軟件Midas Civil，建立曲率半徑為75 m 的連續單箱單室箱梁彎橋模型，全橋設置4跨，每跨20 m，從左到右墩臺編號分別為0號橋臺、1號橋墩、2號橋墩、3號橋墩、4號橋臺。建立模型的時候選用梁單元模型，將全橋分為90個梁單元，具體情況如圖1所示。

圖1 箱梁橫截面(單位：mm)

1.2 下部結構布置

主要考慮自重、系統升溫、梯度升溫、離心力、車輛荷載、支座沉降這6種荷載工況對曲線橋梁模型的影響，并依據交通部頒布的相關規范[9]和橋梁工程相關著作[10]來進行取值。初擬定彎橋模型下部結構有3種形式，具體模型如表1所示。

2 結果與分析

2.1 自重作用對曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結構的曲線橋梁各節點在自重作用下橫向位移變化情況如圖2所示，最大內力如表2所示。從圖2可以看出，彎橋下部結構采用單柱墩時，自重作用下梁體整體橫向爬移最大；下部結構采用雙柱墩和單/雙柱墩交替布置時，橫向爬移相比布置單柱墩時有所減小，并且2種布置情況下梁體整體橫向爬移相差不大。從表2中看出，3種布置情況下梁體豎向剪力、平彎彎矩相差不大，變化情況不明顯；相比于單柱墩，采用單/雙柱墩交替布置時，彎橋扭矩降低了44%，豎向彎矩降低了20%。

圖2 自重作用下的橫向位移

表2 自重作用下的最大內力絕對值

2.2 支座沉降對曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結構的曲線橋梁各節點在支座沉降作用下橫向位移變化情況如圖3所示，最大內力如表3所示。從圖3可以看出，彎橋下部結構采用單柱墩時，在支座沉降作用下梁體整體橫向爬移最大；下部結構采用雙/單雙柱墩交替布置時，橫向爬移明顯減小，并且2種布置情況下梁體整體橫向爬移相差不大。從表3中看出，相比于單柱墩，下部結構采用單/雙柱墩交替布置時，梁體扭矩降低了35%，平彎彎矩降低了33%。

圖3 支座沉降作用下的橫向位移

表3 支座沉降作用下的最大內力絕對值

2.3 溫度作用對曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結構的曲線橋梁各節點在溫度作用下橫向位移變化情況如圖4所示，最大內力如表4所示。從圖4中看出，彎橋下部結構采用單柱墩布置時，在溫度作用下梁體整體橫向爬移最大，下部結構采用雙柱墩或單/雙柱墩交替布置時，橫向爬移明顯減小，且單/雙墩交替布置的梁體整體橫向位移變化較穩定，雙柱墩布置的梁體橫向偏移量關于中間墩對稱變化。從表4中可以看出，在系統溫升作用下，下部結構采用單/雙柱墩交替布置時，梁體豎向剪力、平彎彎矩、豎向彎矩都有所增大，扭矩有所減小；而在梯度溫升作用下，下部結構采用單/雙交替或雙柱墩時，豎向剪力、平彎彎矩、扭矩、豎向彎矩內力值均有所減?。幌啾扔趩沃眨捎秒p柱墩布置時，扭矩甚至降低了50%。

圖4 溫度作用下的橫向位移

表4 溫度作用下的最大內力絕對值

2.4 離心力作用對曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結構的曲線橋梁各節點在離心力作用下橫向位移變化情況如圖5所示，最大內力如表5所示。從圖5中看出，彎橋下部結構采用單柱墩時，在離心力作用下梁體整體橫向爬移最大；下部結構采用雙柱墩或單/雙柱墩交替布置時，橫向爬移相比單柱墩明顯減小。下部結構采用雙柱墩布置時，整體橫向位移變化較穩定；采用單/雙柱墩交替布置時，梁體橫向位移關于中間墩呈對稱變化。從表5中看出，下部結構采用單/雙柱墩交替或全橋采用雙柱墩布置時，豎向剪力、平彎彎矩、扭矩、豎向彎矩內力值都有所減小。相比于單柱墩，采用單/雙交替布置時，豎向剪力和扭矩均降低了51%，平彎彎矩降低了59%，豎向彎矩降低了22%。

圖5 離心力作用下的橫向位移

表5 離心力作用下的最大內力絕對值

2.5 車輛荷載對曲線橋梁橫向爬移的影響

不同下部結構的曲線橋梁各節點在車輛荷載作用下橫向位移變化情況如圖6所示，最大內力如表6所示。從圖6中看出，彎橋下部結構采用單柱墩布置時，梁體整體橫向爬移最大；下部結構采用雙柱墩或單/雙柱墩交替布置時，梁體橫向爬移明顯減小。從表6中看出，下部結構采用單/雙柱墩交替布置時，豎向剪力、平彎彎矩、扭矩、豎向彎矩內力值均有所減小。

圖6 車輛荷載作用下的橫向位移

表6 車輛荷載作用下的最大內力絕對值

3 結論

本文采用有限元軟件分析了曲線梁橋在不同下部結構下(單柱墩、雙柱墩以及單/雙柱墩交替)和不同作用下(自重、溫度、離心力、車輛荷載、支座沉降)的橫向偏移和內力變化情況，得出結論：

(1)曲線橋梁下部結構采用單柱墩布置時，在自重、系統升溫、梯度升溫、車輛荷載、離心力、支座沉降作用下梁體各節點橫向位移最大。

(2)曲線橋梁下部結構采用雙柱墩支承時，在各個荷載因素作用下曲線梁橋整體橫向位移最小。

(3)曲線橋梁下部結構采用單/雙柱墩交替布置時，在各個荷載因素作用下梁體整體橫向位移與全橋采用雙柱墩布置時相差不大。

(4)下部結構采用單/雙柱墩交替布置時，在支座沉降作用下橫向爬移最大。

綜上所述：綜合考慮橫向爬移、內力增量及經濟效益等方面，建議在實際工程中采用單/雙柱墩交替布置的下部結構形式，以防止偏移的發生，另外在此類形式運用過程中應注意支座沉降問題的發生和處理。