成桥状态不同桥墩形式曲线刚构空间受力分析

　　【摘要】本文以某大桥为工程背景，利用大型空间有限元程序ANSYS，针对单薄壁与双薄壁两种桥墩形式，对高墩大跨曲线连续刚构空间力学特性进行分析，通过比较得出不同桥墩对全桥受力的影响差异，以及这种差异与曲率半径的关系。为今后设计同类桥梁时桥墩形式的选择，提供了相应的参考建议。
　　关键词：高墩曲线刚构；桥墩形式；受力分析
　　1引言
　　在影响曲线刚构桥受力的众多因素中，曲率的影响是最明显的。由于曲率的影响，曲线梁桥产生弯扭祸合效应，结构受力复杂，并且产生扭转、径向偏位等变形。对普通的曲线梁桥进行分析时，单纯考虑曲率对桥梁的影响是可以的，但对于高墩曲线刚构这一曲线桥的特殊形式来说，仅仅考虑曲率是不够的，应该将其与桥墩形式结合起来研究。这样才能综合反映箱形截面上应力的分布规律，体现弯曲、高墩连续刚构的受力特性。
　　对高墩曲线连续刚构来说，悬臂浇筑和拼装是目前采用的主要的施工方法。采用悬臂施工法，结构通常要经过两次(或多次)体系转化。但考虑混凝土长期徐变后结构受力都会趋近于一次落架状态，因此有必要了解成桥状态的曲线刚构的受力特性，本文主要分析不同桥墩形式并结合平面弯曲对成桥状态下曲线连续刚构的影响（限于篇幅仅分析竖向位移比较）。
　　本文以某高速公路大桥为工程背景。利用空间板壳有限元分析连续刚构空间位移、应力分布规律。模型跨径、尺寸布置依据白洞河大桥，按中心线展开跨径布置为75+2×135+75米，采用单箱单室截面，箱梁顶宽12.0米，底宽6.5米，两侧悬臂长度2.75米。墩顶处梁高7.5米，跨中梁高为3.0米，梁高从根部到跨中采用二次抛物线变化，主梁为C50混凝土，墩身为C40混凝土。模型示意如图1所示。
　　
　　图1R=300m时双薄壁式曲线刚构桥全桥计算模型
　　在上面的有限元模型中，桥墩墩底设置为固结约束，两端桥台处箱梁梁端端底线上各有两个位移约束和扭转约束，不同曲率和墩形式的计算模型，主梁跨径布置、截面尺寸均相同;曲率分别取300m,600m,900m三种。
　　对于桥墩的选择，本文中所有模型墩高均选定为100m;在形式上，由于山区桥梁墩高较高，从施工等各方面考虑，设计时一般不考虑采用“V”、“X”、“Y”形的桥墩，所以本文选取空心单薄壁墩和空心双薄壁墩两种常见墩形。在桥墩截面尺寸上，以截面面积相等为前提，保证桥墩工程量基本相等，具体尺寸见图2(a)和2(b)。从方便施工考虑，很多时候空心双薄壁墩间都不设系梁，故本文又将空心双薄壁墩分为有系梁和无系梁两种。其墩间的横系梁厚度为1m，每个桥墩上共设三道，间距为25m。
　　
　　（a）双薄壁（b）单薄壁
　　图2空心壁墩截面（单位：cm）
　　2自重作用下结构空间分析
　　2.1竖向位移比较
　　
　　图3R=300m时不同墩形刚构中跨跨中顶板竖向位移
　　
　　图4R=600时不同墩形刚构中跨跨中顶板竖向位移
　　
　　图5R=900m时不同墩形刚构中跨跨中顶板竖向位移
　　
　　图6直线时不同墩形刚构中跨跨中顶板竖向位移
　　
　　图7R=300m时不同墩形刚构中跨跨中底板竖向位移
　　
　　图8R=600m时不同墩形刚构中跨跨中底板竖向位移
　　
　　图9R=900m时不同墩形刚构中跨跨中底板竖向位移
　　
　　图10直线时不同墩形刚构中跨跨中底板竖向位移
　　由图3~10中我们可以看出:①相同曲率半径的曲线连续刚构桥的跨中截面的竖向位移与其所选择的桥墩形式有着密切的关系。位移大小关系依次为:位移最小为单薄壁式;最大是双薄壁式(无系梁)。在相同曲率的情况下，单薄壁式与双薄壁式(有系梁)的跨中最大位移值较接近，平均值在5mm以内。由于曲线梁的弯扭祸合特性，箱梁本身的内外缘竖向位移存在着差值。双薄壁式(无系梁)的内外缘竖向位移差值较明显，而单薄壁式则基本无差值。②对于选择相同形式墩形的连续刚构桥来说，跨中截面的竖向位移还随着主梁曲率的变化而变化。以双薄壁式(有系梁)为例:当R=300m其跨中截面顶板的最大竖向位移为u=17.5cm,R=600m时u=15.6cm,R=904m时u=16.0cm、直线桥时u=15.8cm。其中，除R=300m以外，其他曲率下(包括直线)结构的变形值十分接近。对于其他两种墩形的刚构桥，同样满足这样规律。
　　总之，从各模型的计算结果来看，桥墩形式对曲线桥的整体竖向变形影响明显。而且这样影响与曲率半径的有一定的关系，就本节的分析得出，当R=300m时影响最大，由于墩形引起的位移差值达到了1.8cm;当R为600m以上乃至直线桥时，这种影响稳定在1.4cm，即当R在600m以上时，曲率对曲线桥竖向变形影响很小。此外，桥墩形式对箱梁的扭转变形同样影响明显。当桥梁采用单薄壁墩时，无论在何种曲率半径下，箱梁内外缘竖向位移差值都几乎为零;但其他两种都存在着较明显的差值。同样，当R=300m,箱梁内外缘竖向位移差值最大〔见图3);当R在600m以上趋于稳定，即扭转变形不随曲率变化而增加。
　　分析原因，关键在于桥墩刚度的影响。三种墩的横截面虽然面积相同，但通过计算得到单薄壁式的刚度最大;两种双薄壁式虽然计算上刚度相等，但系梁增加了两个薄壁的连接性，客观上增加了刚度。三种不同墩形的刚构桥的变形差异，就是桥墩刚度差异的体现。
　　2.2径向位移比较
　　用同样的方法进行径向唯一比较分析，可以得到相应的位移距离图，曲线桥的径向偏位同时受到桥墩形式和曲线主梁曲率的影响。其中相同的半径下，不同墩形引起的径向变形不同。两种双薄壁墩对应的径向偏位是面向平曲线内侧，单薄壁式则是面向平曲线外侧。而相同墩形下，曲率越小，径向偏位越大，这个规律适应于上述三种墩。对于曲线梁体产生径向偏位的原因在于墩顶部位分配了主梁的部分扭矩，产生向平曲线的横向弯曲，并带动了主梁的径向偏位。
　　对于直线桥，则不存在径向偏移的问题，而本文对直线桥也做了相应的计算，结果
　　也验证了直线桥没有径向偏移。
　　2.3应力比较分析
　　
　　图11300米半径下单薄壁式墩刚构顶板上缘正应力云图(单位Pa)
　　
　　图12300米半径下单薄壁式刚构底板下缘正应力云图(单位Pa)
　　由图11和图12可以得到不同半径时刚构中跨跨中底板正应力图，通过比较这些分析图可以发现采用不同曲率和墩形的变截面曲线刚构桥中跨跨中截面正应力分布特点。对于相同曲率、不同桥墩形式的曲线刚构，其跨中截面顶板正应力的最大绝对值很接近，约为-8000000pa，即桥墩形式对跨中截面的顶板正应力影响很小:而与之相反，它们之间的底板正应力却差别较大，其极值相差近1Mpa。另外，随着曲率半径的变化，横截面上顶板内外缘的正应力也随之变化，且曲率愈小，顶板内外缘正应力差值愈明显，对于不同的墩形这一规律都适用。究其原因，归于弯扭祸合效应的存在。
　　高墩连续刚构桥之所以采用空心墩这种墩形，就是为了减少墩身的抗推刚度，以达到较小的墩顶负弯矩的目的。所以除了研究中跨跨中截面的应力之外，本文还将就主墩中截面的应力状况进行分析。通过分析可以得到，在上述任何同一的曲率半径下(包括直线桥)，由于大桥采用的墩形不同，其主墩0号块中截面上的正应力也不相同，但它们都具有相同的变化规律，即:无论是针对顶板或底板，单薄壁式对应的正应力最小，然后是双薄壁(有系梁)、双薄壁(无系梁)。这说明对于截面面积相同的空心墩来说，单薄壁式对减小墩顶弯矩作用较明显。此外，曲率对于0号块中截面上顶板的正应力的影响也同样有规律。与跨中截面相同，曲率愈小，横截面内外缘的应力差值愈明显，且它与墩形无关。而与跨中截面所不同的，中截面是内缘大于外缘，这正好与跨中截面相反。
　　3结论
　　成桥阶段自重作用下，曲线连续刚构跨中挠度比相同跨径直线桥的跨中挠度大。这主要是因为曲线梁弯扭祸合的作用，自重作用产生的弯矩引起扭矩，扭矩又使得曲线梁跨中弯矩增大，从而使曲线桥产生较直线桥大的竖向位移，并有径向位移产生。成桥阶段的自重作用下，连续刚构受曲率影响，产生弯扭祸合效应，内外侧腹板应力存在差别，而且截面应力横向分布的不均匀性和应力的均值都大于直线箱梁。
　　参考文献
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