前言
與直線梁橋相比，由于曲率的影響，導(dǎo)致曲線梁橋產(chǎn)生彎扭耦合作用，并且曲線梁橋的質(zhì)量中心不在軸線梁端的連線上，即使在自重的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生扭矩，所以，曲線橋梁的內(nèi)功、變形計(jì)算遠(yuǎn)比直線梁橋復(fù)雜。因此，國(guó)內(nèi)常有曲線梁橋、并以立交匝道橋居多，在施工中或建成后發(fā)生錯(cuò)位變形現(xiàn)象比較普遍。
最常見的問題表現(xiàn)為為曲線梁沿徑向的位移過大，在一定條件下，有時(shí)會(huì)突然發(fā)生較大的整體位移。隨著發(fā)生問題曲線梁橋的日益增多，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力性能及破壞機(jī)理分析已引起國(guó)內(nèi)橋梁界同行的重視。
據(jù)報(bào)道，深圳市城管辦2001年委托權(quán)威橋梁機(jī)構(gòu)對(duì)市區(qū)47座橋梁進(jìn)行檢測(cè)或監(jiān)測(cè)，檢查結(jié)果被認(rèn)為是“充分暴露了深圳橋梁，尤其是獨(dú)墩單支座曲線橋梁存在的結(jié)構(gòu)安全問題不容忽視”。專家認(rèn)為：獨(dú)墩單支座支承曲線橋梁在受力上存在抗扭性能差的明顯缺陷，同時(shí)在設(shè)計(jì)上難以對(duì)其徑向限位措施做到盡善盡美，在重車高速通過的離心力以及溫度應(yīng)力等復(fù)合因素作用下，梁體產(chǎn)生極為不利的橫向累計(jì)位移，嚴(yán)重影響橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。
盡管各橋情況各異，但對(duì)此問題，國(guó)內(nèi)橋梁界目前已經(jīng)有幾點(diǎn)共識(shí)：
?。?）當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)獨(dú)柱曲線梁橋特有力學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)還不夠深入，理論分析方法仍不全面和準(zhǔn)確，以致某些橋在某種工況下發(fā)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，在施工或完成后容易造成內(nèi)側(cè)支座脫空、支座破壞等；
?。?）梁體發(fā)生側(cè)移、扭轉(zhuǎn)變形的起因比較復(fù)雜，多數(shù)由于持續(xù)環(huán)境荷載的作用、預(yù)應(yīng)力束的設(shè)置與施工不當(dāng)、支座設(shè)置不合理等多種因素的綜合作用；
（3）國(guó)家及相關(guān)部門對(duì)此類曲線橋梁尚缺完善的設(shè)計(jì)規(guī)范；
（4）關(guān)于此類橋梁承受持續(xù)環(huán)境荷載的研究，尚有較大的欠缺。
因此，對(duì)曲線梁橋進(jìn)行較深入的研究，己經(jīng)日趨得到各方面的重視。本文應(yīng)用有限元方法，以連續(xù)曲線箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)溫度荷載作用下曲線連續(xù)梁橋的受力與變形特點(diǎn)進(jìn)行分析。
1、工程實(shí)例分析
1．1 工程概況
某樞紐立交B匝道橋由兩聯(lián)組成，其中第二聯(lián)平曲線半徑R=243．7 m，橋?qū)?．5 m，上部構(gòu)造為6×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。橋臺(tái)和聯(lián)接墩為雙
柱式，其余墩為獨(dú)柱式，下部均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為防止扭轉(zhuǎn)變形，設(shè)計(jì)中將第二聯(lián)獨(dú)柱墩中心線沿徑向向外側(cè)偏移9cm。第二聯(lián)共設(shè)支座9個(gè)，其中，
墩為單墩固定支座，
墩和
橋臺(tái)并排設(shè)置兩個(gè)支座，問距2．5 m，為雙向活動(dòng)支座，其余中間墩均為獨(dú)柱雙向活動(dòng)支座。各墩的樁位平面布置圖見圖1所示。
圖1 B匝道橋第二聯(lián)樁位平面布置圖
該匝道橋已于2003年底完成箱梁主體的施工，2004年8月，在B匝道橋第一聯(lián)完工后進(jìn)行橋面鋪裝工程的施工準(zhǔn)備工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)在
聯(lián)接墩伸縮縫處兩側(cè)的箱梁梁體發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位，第7孔箱梁中線沿徑向向外偏移4．5 cm。2005年6月，通過進(jìn)一步的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，變形又有所增大，第7孔箱梁中線沿徑向向外偏移約7．5 cm，如圖2所示。而且，出現(xiàn)
聯(lián)接墩和
臺(tái)的外側(cè)支座壓死、內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象，向外側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形約
。為保證該橋在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下正常工作，決定對(duì)該橋進(jìn)行復(fù)位和結(jié)構(gòu)體系改善。
1．2 計(jì)算模型
1．2．1 單元剖分
全橋上部結(jié)構(gòu)共剖分32 047個(gè)單元。其中，箱梁橫隔板采用Shell43殼單元，共計(jì)490個(gè)單元；其他橋面結(jié)構(gòu)采用殼單元Shell63，共計(jì)28 080個(gè)單元；預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link8單元，共計(jì)3 468個(gè)單元；支座偏心采用剛臂單元MPC184，共計(jì)9個(gè)單元。全橋橋面系共劃分節(jié)點(diǎn)30160個(gè)，支座部分節(jié)點(diǎn)共計(jì)9個(gè)，全橋節(jié)點(diǎn)合計(jì)30169個(gè)，剖分后的有限元網(wǎng)格局部如圖3所示。
1．2．2 計(jì)算參數(shù)說明：
混凝土容重2 500 ks/m3，鋼材容重7 800 kg/m3，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，彈性模量E=3．45 X
N/rn2，泊松比取0．2，線膨脹系數(shù)：
，鋼絞線彈性模量
，泊松比取0．3，線膨脹系數(shù)
，預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)應(yīng)力損失按30%考慮。
1．3 荷載工況
混凝土箱形截面梁受陽(yáng)光照射后，其向陽(yáng)表面的溫度變化幅度大，其背陽(yáng)表面溫度變化幅度小，且沿高度方向各纖維層的溫度是不同的，從而產(chǎn)生所謂的溫度梯度。由于結(jié)構(gòu)材料熱脹冷縮的性質(zhì)，勢(shì)必產(chǎn)生溫度變形，當(dāng)變形受到結(jié)構(gòu)的內(nèi)部纖維約束和超靜定約束時(shí) 至騫構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力。研究資料表明，溫度應(yīng)力可以達(dá)到、甚至超過汽車活載作用下的應(yīng)力。
溫度效應(yīng)， 包括年平均溫差（整體升、降溫）和日照驟變溫差 （內(nèi)夕卜溫差和豎向梯度）。然而，由于技術(shù)水平的限制，我國(guó)的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了整體升、降溫和頂板升溫的工況，而關(guān)于豎向溫度梯度則只給出了T形截面梁的簡(jiǎn)單日照溫差分布圖，在箱形截面上的適用性如何至今還沒有準(zhǔn)確的結(jié)論。理論分析表明，不同的豎向溫度梯度模式對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響非常大。目前，世界各國(guó)對(duì)于豎向溫度梯度的分布也沒有達(dá)成共識(shí)，如英國(guó)、美國(guó)、新西蘭和歐洲等國(guó)家都有各自的溫度梯度模式，相互之間的差別也很大。
由于二期恒載中僅有護(hù)欄一項(xiàng)，而橋面鋪裝等還沒有完成，使梁體發(fā)生偏移的主要原因應(yīng)該與不利溫度場(chǎng)的作用有關(guān)，因此，荷載工況主要考慮了以下幾種工況，并且同時(shí)考慮了常年溫差（箱梁整體升溫）和日照溫差（箱梁兩側(cè)的溫差）的影響。
其中，箱梁頂板升溫10℃是在參考新《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）、現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)資料以及文獻(xiàn)[7、10]的基礎(chǔ)上綜合取定的，豎向溫度梯度分布取折線。根據(jù)橋梁方位，曲線箱梁的里側(cè)面向東南方向，因此里側(cè)直接受太陽(yáng)照射，溫度應(yīng)該比外側(cè)高，里外側(cè)溫差10℃是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)資料以及文獻(xiàn)[7]中的實(shí)測(cè)記錄確定的。反向溫差的工況是為了考察日照溫差對(duì)橋梁方位的影響。
1．4 計(jì)算結(jié)果
1．4．1 工況1
在一期恒載和部分二期恒載作用下，外側(cè)支座約為內(nèi)側(cè)支座反力的4倍。結(jié)果表明：原設(shè)計(jì)的9cm預(yù)設(shè)偏心過小。
1．4．2 工況2
通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，頂板升溫10℃時(shí)，曲線箱梁橋沿徑向的位移并不是很大，最大僅為0．5cm，但是扭轉(zhuǎn)變形突出，扭轉(zhuǎn)角度約
，在
聯(lián)接和
橋臺(tái)處的內(nèi)側(cè)支座均產(chǎn)生拉力，造成支座脫空。工況1作用下各支座反力和位移如表1所示。
1．4．3 工況3
在常年溫差作用下，即箱梁整體升溫34℃時(shí)，曲線梁橋在徑向的位移明顯，梁端最大位移為1．1cm，說明常年溫差的作用是造成曲線橋梁發(fā)生徑向偏移的主要原因，而扭轉(zhuǎn)變形則介于工況1和工況2之間。
1．4．4 工況4
在箱梁里、外側(cè)10℃溫差作用下，曲線箱梁橋沿徑向的位移量介于整體升溫和頂板升溫之間，最大徑向位移為0．80cm。
1．4．5 工況5
當(dāng)曲線箱梁外側(cè)溫度比內(nèi)側(cè)溫度高1O℃時(shí)，曲線箱梁橋沿徑向的位移不明顯，說明曲線箱梁橋具有較好的抵抗外徑溫度高、內(nèi)徑溫度低引起變形的能力，因此說，曲線箱梁橋的方位對(duì)其受力和變形有一定影響。
1．5 不同規(guī)范比較
如前面所述，工況2中所考慮的箱梁頂板升溫1O℃是在參考新《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 （JTGD60—2004）、現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)資料以及文獻(xiàn)[7、10]的基礎(chǔ)上綜合取定的。而原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所依據(jù)的是《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》（JTJ 023—85），為了考察不同設(shè)計(jì)規(guī)范中溫度效應(yīng)計(jì)算的規(guī)定對(duì)箱梁受力的影響，這里設(shè)計(jì)了3個(gè)計(jì)算方案，并分別將依據(jù)3種計(jì)算規(guī)定的計(jì)算結(jié)果列出，以比較它們之間的差別。
1．5．1 《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》（JTJ 023-85）
在附錄五中關(guān)于T形截面連續(xù)梁由日照溫差引起的內(nèi)力的計(jì)算中規(guī)定：在無實(shí)測(cè)資料時(shí)，可假定溫度差+5℃（橋面板上升5℃），并在橋面板內(nèi)均勻分布。為了便于對(duì)比，計(jì)算工況均取工況2時(shí)的條件，只有梯度溫度不同，計(jì)算結(jié)果如表2所示。
1．5．2 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）依據(jù)第4．3．10條第3款規(guī)定：對(duì)混凝土鋪裝橋面來說，橋面板的最高溫度取25℃，豎向梯度溫度取折線，該規(guī)定是在參考美國(guó)AASHTO規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)的。該工況下的計(jì)算結(jié)果見表3所示。
1．5．3 頂板升溫1O℃
計(jì)算結(jié)果在前面工況2中已經(jīng)給出。
1．5．4 對(duì)比分析結(jié)果
通過3個(gè)計(jì)算方案的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)有約束條件，依據(jù)原《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》（JTJ023—85）中的梯度溫度規(guī)定計(jì)算時(shí)，
聯(lián)接墩和
橋臺(tái)的內(nèi)側(cè)支座均不會(huì)出現(xiàn)拉力，而依據(jù)新的公路橋規(guī)中的梯度溫度計(jì)算時(shí)，產(chǎn)生的拉力非常大，達(dá)到333 kN。而按頂板升溫1O℃的計(jì)算結(jié)果介于二者之間。
這一方面說明，新的公路橋規(guī)在梯度溫度方面的改動(dòng)幅度很大，過渡不是很平順；另一方面也說明，我國(guó)原公路橋規(guī)關(guān)于梯度溫度的規(guī)定明顯不合適，而且無論是與新的公路橋梁規(guī)范（JTG D62—2004）或是新的《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002．3-2005）相比都偏于不安全，這也是造成本文所分析的曲線連續(xù)箱梁橋發(fā)生支座脫空和徑向偏移的原因之一。
1．6 主要原因分析
針對(duì)本文所分析曲線連續(xù)箱梁橋所出現(xiàn)的病害，利用ANSYS程序進(jìn)行了建模和分析，計(jì)算結(jié)果表明：首先，我國(guó)原公路橋規(guī)關(guān)于梯度溫度的規(guī)定明顯不合適，而且是偏于不安全，依據(jù)該橋規(guī)中的梯度溫度規(guī)定計(jì)算是造成曲線箱梁梁體發(fā)生支座脫空和徑向偏移的原因之一。
其次，原有設(shè)計(jì)偏心（9cm）偏小，造成6 墩和12 橋臺(tái)處內(nèi)側(cè)和外側(cè)支座的反力相差過大，在一期和二期恒載作用下，內(nèi)側(cè)支座反力約為400kN，而外側(cè)支座反力為1600kN。此時(shí)，內(nèi)側(cè)支座還不至于出現(xiàn)拉力。但是，在不利溫度作用下內(nèi)側(cè)支座會(huì)出現(xiàn)約130kN的拉力，造成內(nèi)側(cè)支座脫空，梁體發(fā)生向外側(cè)約1度的扭轉(zhuǎn)變形，垂直面內(nèi)的高差約8cm。
再次，由于整個(gè)曲線箱梁橋在徑向的約束很弱，在常年溫差和日照溫差的聯(lián)合持續(xù)作用下，梁體發(fā)生向外側(cè)的徑向偏移，單種溫度工況時(shí)最大的偏移達(dá)1．1 cm，由于梁體已經(jīng)發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，使得該徑向偏移不能自動(dòng)復(fù)位，并隨時(shí)間增長(zhǎng)持續(xù)加大，這種現(xiàn)象國(guó)內(nèi)多稱之為——非線性爬行，這也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)偏移逐年增大的結(jié)果相吻合。
通過施加反向溫差的計(jì)算表明，不會(huì)造成沿徑向的偏移情況，因此說，不利的橋位、支座設(shè)置和溫度場(chǎng)（常年溫差和日照溫差）的綜合作用是造成梁體發(fā)生非正常錯(cuò)位的主要原因。
2、處理方案
在參考國(guó)內(nèi)同類病害橋梁處理方案的基礎(chǔ)上，并考慮到施工操作的可行性，共提出3個(gè)支座更換方案，分別是：
處理方案1：6 聯(lián)接墩和
橋臺(tái)處的外側(cè)支座均更換為單向活動(dòng)支座；
處理方案2：除
墩外，其余墩上支座均更換為
單向活動(dòng)支座；
處理方案1：
聯(lián)接墩和
橋臺(tái)處的外側(cè)支座均更換為單向活動(dòng)支座；
處理方案3：在
墩外側(cè)增設(shè)鋼管混凝土立柱、并在
、
墩和
臺(tái)設(shè)橫向擋塊。
在一般曲線連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)中，抗扭跨徑（指兩抗扭墩之間的累計(jì)跨長(zhǎng)）不宜超過100～120m，而本文分析的曲線連續(xù)箱梁橋的抗扭跨徑已達(dá)180 Ill。在綜合考慮并借鑒國(guó)內(nèi)同類病害橋梁處理方案的基礎(chǔ)上，決定采用處理方案3作為最終實(shí)施方案，并在實(shí)施過程中，在6 聯(lián)接墩和12 橋臺(tái)附近的箱梁內(nèi)側(cè)澆注了混凝土配重，以保證在不利溫度效應(yīng)作用下，
聯(lián)接墩和
橋臺(tái)處的內(nèi)側(cè)支座均保持最小400 kN以上的壓力，可以保證內(nèi)側(cè)支座不再出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。
3、處理效果
?。?）與設(shè)計(jì)坐標(biāo)對(duì)照，各橋墩、橋臺(tái)在徑向基本恢復(fù)到設(shè)計(jì)位置，存留的偏移量比設(shè)計(jì)位置向內(nèi)偏約0．9 cm左右。
（2）各橋墩、橋臺(tái)的高程也基本恢復(fù)到設(shè)計(jì)位置，
墩處內(nèi)側(cè)基本達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，外側(cè)仍然低約1．5cm。其余各墩的高程偏差均較小，可以滿足使用要求。根據(jù)高程測(cè)量結(jié)果，梁體已經(jīng)基本沒有扭轉(zhuǎn)變形，箱梁底面已基本調(diào)平，殘余的扭轉(zhuǎn)變形約
，與原來的扭轉(zhuǎn)
相比，殘存的扭轉(zhuǎn)變形很小。
?。?）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在僅受自重狀態(tài)下，
墩內(nèi)側(cè)支座反力約650kN，
橋臺(tái)內(nèi)側(cè)支座反力約1050kN?？梢员ＷC內(nèi)側(cè)支座不再出現(xiàn)拉力和脫空現(xiàn)象。
4、結(jié)論
?。?）溫度效應(yīng)對(duì)曲線連續(xù)梁橋的影響是顯著的，原公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)橋梁豎向溫度梯度的規(guī)定不合理，比實(shí)際溫差小很多，以此為依據(jù)所設(shè)計(jì)的曲線連續(xù)箱梁橋容易出現(xiàn)病害，影響正常使用。
?。?）箱梁頂、底板的溫差效應(yīng)是造成曲線連續(xù)箱梁扭轉(zhuǎn)的主要因素，而整體升溫則是曲線連續(xù)箱梁橋直接發(fā)生徑向偏移的主要原因。由于箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)后，沿徑向的偏移不能自動(dòng)回復(fù)、并且長(zhǎng)期積累，導(dǎo)致曲線連續(xù)箱梁橋沿徑向偏移逐年增大。
?。?）支座設(shè)計(jì)要進(jìn)行多方案比選和多溫度工況計(jì)算，以優(yōu)化支座設(shè)計(jì)和確定中間墩的預(yù)設(shè)偏心量。
