预应力混凝土连续曲线箱梁桥爬移

预应力混凝土连续曲线箱梁桥爬移研究一、绪论弯梁桥在现代化的公路及城市道路立交中应用非常普遍。而在国内的一些大型互通立交中，大多采用了预应力混凝土连续弯箱梁桥。这是由于预应力混凝土连续弯箱梁桥有着一定的自身优点：预应力钢束的布置大大增加了桥跨的跨径，箱梁作为一种闭合截面具有很强的抗弯和抗扭刚度，连续弯梁增强了行车的舒适性等等。但是近几年来发现，一些弯梁桥在运营过程中，出现了一些梁体滑移甚至翻转的桥梁事故。实际上，预应力混凝土连续弯箱梁桥在使用过程中，由于预加力、温度效应、车辆行驶或一些其它影响因素的作用，会产生侧向的变位。由于弯梁的结构特点、支承形式等原因，当外荷载等影响因素消失后，弯梁发生的侧向变位并不能够完全恢复，弯梁在侧向会产生部分不可恢复的残余位移。长期反复作用下，侧向的残余位移就会累积，产生较大的位移，即弯梁桥的侧向位移问题（国内有专家称之为“爬移”现象）。弯梁桥的侧向位移问题轻则导致梁段伸缩缝的剪切破坏，影响其使用寿命；严重的则会出现支承结构破坏、梁体滑移和翻转。桥梁在使用过程中出现该类问题，不仅影响交通，而且加固起来非常困难，造成巨大的经济损失。本文在xx大桥引桥匝道模型的基础上对小半径、大跨度预应力混凝土等高度连续曲线箱梁桥的结构受力进行分析和讨论，验证设计理论并确定复杂结构细节的受力状态，针对实际当中存在的问题提出对“爬移”现象相应的改进意见和建议。二、模型的建立本文将直接借助于目前应用较广、被广大工程师所熟知的MIDAS/Civil进行分析研究。文中用到的单元类型包括：空间梁单元及空间实体单元。结合本文的研究主题，所需要的数据主要包括梁体的径向（横桥向位移）、竖向挠度（扭转变形）、支座反力以及桥墩的内力。为了研究曲线梁桥的受力行为特性，结合xx大桥引桥匝道实际情况。采用如图形式的曲线梁桥作为研究对象。图2.1曲线梁截面形式桥梁计算行车速度，计算冲击系数暂取为0.15。活载按照两车道考虑。收缩徐变参数参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）（以下简称新桥规）取值:,,,,（—收缩开始时的混凝土龄期（d）；—加载时的混凝土龄期（d）；—强度等级C20～C50混凝土在28d龄期时的平均立方体抗压强度（）；RH—环境年平均相对湿度（%）；—依水泥种类而定的系数。）图2.2现场梁截面图全桥上部结构为三跨连续结构，各墩采用橡胶支座，全桥采用空间梁单元分析计算，同时考虑橡胶支座的影响。图2.3半径为50米模型三、曲线梁桥受力分析曲线箱梁桥主梁的弯曲程度是影响弯箱梁桥受力特性的最重要因素，考虑到曲率半径不能全面的反映其弯曲程度，因为曲率半径相同时跨径越大弯曲程度越大，因此，将反映主梁弯曲程度的参数定为跨长同半径的比值。在本章中，将结合算例，固定弯箱梁桥的跨径不变，而将曲率半径分别取为50m、100m、300m、500m、700m，1000m计算曲线箱梁桥在不同的曲率半径下结构的反应。支座半径径＝50半径＝100半径＝300半径＝500半径＝700半径＝100000＃外11162.119965.227991.57665.17224.87113.00＃内2221.884451.336115.46441.66991.26999.71＃外18881.4419971.5520110.320111.419772.319663.81＃内18877.9919903.1119996.519881.519661.519557.92＃外19937.9921134.1120113.421114.720332.721001.12＃内18810.7719987.2219665.520110.520001.620998.73＃外11158.779958.117992.47772.87331.87221.43＃内2227.994460.776223.76552.76993.37001.3表3.1自重荷载下曲线梁桥变更曲率半径时的竖向支反力表的支座竖向支反力看，随着半径的增大，内外侧支座的支反力趋于对称。表中的数据显示，在不同半径下，梁端支座内外侧竖向支反力相差较大，且受曲率半径的影响较大，这在比较窄的单向车道曲线箱梁的梁端支座表现的最为显著；而中间桥墩上内外侧支反力相差较小，其受曲率半径的影响也较梁端支座小。图3.1不同曲率半径下的梁体位移由曲线显示，当曲线梁的曲率半径越小，梁体向外侧的扭转就越厉害，曲线梁侧向位移也随着曲率半径的减小而增大，而且同样是梁端的侧向位移变化最为明显。扭转变形和侧向位移也是当曲率半径越小，变化越为敏感的。3.250米跨径扭转分析模型3.3100米跨径扭转分析模型3.4300米跨径扭转分析模型3.5500米跨径扭转分析模型3.6700米跨径扭转分析模型3.71000米跨径扭转分析模型四、曲线桥的受力特点影响曲线桥因素主要有以下几个：曲线梁桥的曲率半径、支座布置方式以及边跨和中跨比等。曲率半径的增大能够使内外侧支座的竖向支反力趋于平衡，在跨度不变时，半径越小，边墩内外侧支反力的差别就越大，内外侧支反力比就越小。半径在50～500m范围内变化时，内外侧支反力的差别较大，外侧反力远大于内侧反力，内外侧的反力比在23％～83％之间变化，即外侧反力是内侧反力的4.3～1.2倍。当半径持续增大时，内外侧的反力比也随之增大，即内外侧的反力越来越接近；当R＞1000m时，曲线梁桥已接近直线梁桥，内外侧反力基本相同。在预应力作用下，曲率半径的改变还会使支反力在纵横桥方向的分布形式发生变化。变更支座类型对于支座竖向支反力的影响较小，更多地是引起了支座的平面内支反力的变化；而增大间距则主要是引起支座的竖向支反力变化，使得内外侧支座的竖向支反力趋于平衡，而且只需要调整梁端支座的间距便可以大大改善梁端竖向支反力的不利情况。R＜100m时，边支处梁体的剪力受半径影响明显，随半径的减小而减小。梁端扭矩随着半径的增大而逐渐减小，当R＝50～500m时，梁端扭矩随半径变化明显，特别是R＝50～300m时，梁端扭矩随半径的增大基本呈直线下降了约62.5％；但当R＞1000m后，梁端扭矩基本保持不变。因此增大曲率半径有利于降低梁端扭矩（梁端扭矩和梁内最大扭矩基本一致）。梁端扭矩与其跨中弯矩的比值随半径的增大不断减小。R＝50～300m时，比值下降较快，由16.4％变化到5％。半径继续增大时，比值变化很小。对曲线梁桥简化计算条件的分析：当R＜300m时，相应的圆心角Φ＞28.6，扭矩与弯矩的比值为16.5％～5％，边墩支反力、边墩内外侧反力比、扭矩、弯矩等的变化急剧。因此在计算时，所有内力都应考虑曲线的影响。当300＜R＜1000m，即相应的圆心角5.7＜Φ＜28.6时，扭矩与弯矩的比值在5％～1％，纵向弯矩、剪力基本无变化，而反力与扭矩则有一定的变化。因此在计算时，纵向弯矩与剪力可按直线梁桥考虑，而支反力和扭矩须按曲线梁桥考虑。当R＞1000m，即相应的圆心角Φ＜5.7时，随着半径的变化所有内力基本保持不变。此时，曲线梁桥可完全按直线梁桥处理。以上三条规律跟日本道路工团规范《道路桥示方书同解说》中有关条款基本一致。对于主跨为30m的曲线梁桥，在不同的跨径组合下，以边墩支座受力均匀为判定条件的话，存在一个适宜跨径比，其值在0.65～0.75之间变化。随着半径的增加，边墩内外侧反力的均衡性受边中跨的影响减小。在中跨跨径为40m和50m时，边墩反力比表现为基本相同的规律。随着边中跨比的增加，边墩内外侧反力之比变小，这表明，边墩内外侧反力变得不均匀。从这一点来说，边中跨跨径之比宜取小值。当边墩内外侧反力比≥20％时，边中跨径比应≤0.7。结合分析结果，边中跨径比值在0.7左右为最佳。五、“爬移”问题从前文的分析看，横向位移、扭转以及支座的支反力问题是曲线箱梁桥结构受力的主要问题，正如本研究关于国内曲线梁桥“爬移”问题的调查结果，诸如梁体滑移、梁体转动等问题大多出现在梁体横向比较窄、单向车道的预应力混凝土连续曲线梁桥中。“爬移”现象，是一些桥梁专家针对于曲线梁桥出现横向位移而引发曲线梁桥事故而提出的。从表面上看，曲线梁桥的“爬移”问题是指弯梁在使用过程中出现的横向位移。而实际上，曲线梁桥的“爬移”问题不仅仅有曲线梁的横向位移，更要的还有曲线梁在横向的扭转现象，即曲线梁在横向各点挠度的差异问题。曲线梁的横向位移和扭转是曲线梁桥发生爬移现象的一种外在特征，其中还有支座的支反力问题，与横向位移相对应的是支座的径向支反力，与扭转相对应的是支座的竖向支反力。因此，研究曲线梁桥的“爬移”现象，主要就是分析曲线梁桥的支座支反力问题（包括径向支反力和竖向支反力）、曲线梁的横桥向位移以及曲线梁的扭转情况。连续曲线箱梁在预加力、温度效应以及车辆离心力的作用下，会产生一定的横桥向位移（梁体无刚性约束）或者有横向位移的趋势（梁体设置了刚性约束）。最初，曲线梁出现的这些横向位移是与桥墩相协调的，梁体还没有产生相对于墩台的横向位移，也就是此时曲线梁的横向位移需于正常使用情况下的情形，不会产生类似导致伸缩缝剪切破坏、梁体滑移、翻转等事故。但随着外界影响因素的增加和加强，曲线梁支座的径向支反力、竖向支反力问题逐渐严重，梁体的横向位移和扭转变形也逐渐显著，此时，连续曲线箱梁可能就会出现“爬移”现象。就不同支承方式而言，分两种情形讨论：1）如果曲线梁桥采用了板式橡胶支座或者是无专门用于约束梁体平面位移的支座时，支座在径向对梁体的约束是靠支座与梁体间的摩擦力，该摩擦力为支座的竖向支反力与摩擦系数的乘积，即。图5.1如前文所叙，曲线梁桥在使用时，一般内侧支座的竖向支反力是相当小的，也就是值会很小，相应支座与梁底间的摩擦力方数值会很小。而曲线梁由于预加力、温度效应以及车辆离心力等因素，梁体会有促使自身向外侧变形的横向内力，它在支座处就表现为径向支反力。当时，梁体就会失去由支座带来的径向约束，此时曲线梁必然发生横向位移。如前文所叙，曲线梁桥在使用时，部分支座甚至会出现拉反力，即支座脱空现象。如果支座脱空，摩擦力也就不存在了，即。此时，曲线梁横向发生位移会不受任何的约束。另外，车辆在桥面上行驶时，会不断地对桥面有冲击作用。特别是在过渡墩（台）处，由于伸缩缝的影响，车辆的冲击作用更为强烈，而过渡墩（台）处的支座的竖向支反力本身就要比其它墩小，这样使得过渡墩（台）处支座更容易出现横向位移，从而导致爬移现象的出现。2）如果曲线梁桥采用了盆式橡胶支座，盆式橡胶支座有双向活动支座、单向活动支座和固定支座之分，一般这三种支座会在同一座曲线梁桥中出现。曲线箱梁的内侧布置的单向活动支座或者固定支座，外侧均为双向活动支座。在组合荷载作用下，箱梁内侧支座均出现了拉反力，即支座会脱空；而且箱梁向外侧的扭转程度较大，箱梁较大的扭转可能会造成单向活动支座或者固定支座失去横向约束，如图5.2所示。图5.2图中盆式橡胶支座的设计值是较小的，一般在1.5cm～3cm之间，如果曲线箱梁内侧支座脱空后的脱空距离，则弯箱梁会因横向力（由预加力、车辆离心力以及梁体发生扭转后恒载的分力组成）而发生横向滑移，严重时梁体甚至会翻转。就该示例而言，当梁体发生平面旋转角15/2820＝0.0053，即0.30。时，曲线梁就会出现滑移、翻转。因此，总而言之，预应力混凝土连续曲线箱梁在使用过程中，甚至是在施工的过程中，会由于设计不够合理和恶劣的环境影响，梁体可能会出现沿径向的滑移和向梁体外侧的翻转，即曲线梁桥的爬移现象，具体表现在支座的横向支反力、竖向支反力、梁体的横向位移以及扭转变形。六、解决方法及措施采用盆式橡胶支座。盆式橡胶支座是钢构件和橡胶相组合而成的新型桥梁支座，具有承载力大、水平位移量大、转动灵活等特点。支座按照使用性能分有三种型式，即双向活动支座、单向活动支座和固定支座，这三种型式的支座进行合理的布置后，能够很好地满足曲线梁桥的变形特点，曲线梁桥的受力、变形也比较明朗。双向活动支座能够很好地放松对弯箱梁的约束，避免弯梁在平面内出现额外的内力；单向活动支座不仅能够给弯梁作导向作用，还可以约束弯梁的横向位移；固定支座以及单向活动支座能够很好地使得梁体与桥墩协调变形。而且交通部于1999年9月1日开始实施的《公路桥梁盆式橡胶支座》（JT391-1999）新标准对该类支座在技术标准上进行了更新：支座承载力由原标准的1000KN～20000KN扩大为现标准的0.8MN～60MN，扩大了使用范围；提高了聚四氟乙烯的物理机械性能，使得活动支座最小摩擦系数由0.04调为0.03；扩大了支座转角，由原来的0.01164rad（40’）变为0.02rad（1。08’）；双向活动支座增加了位移量，单向活动支座横向考虑±3mm的位移等等。这些都使得盆式橡胶支座能够更好地满足曲线梁桥工作时的需要。如果曲线梁桥的下部结构为柔性墩，即墩身较高、平面抗推刚度较小、柔度大，而且横桥向设置了两根墩柱，这样的预应力混凝土连续曲线梁桥可以采用较多的单向活动支座和固定支座，甚至可以采用墩梁固结体系。使得弯梁的平面内变形受到支座及其桥墩的约束，利用桥墩的平面抗推刚度来降低梁体的平面内变形，同时也利用桥墩自身的柔度来适应梁体的变形，从而达到梁体和桥墩的共同变形。利用高墩的柔性，这种协调变形是能够很好地发挥的。6.1高墩双柱曲线梁桥支座布置形式高墩双柱曲线梁桥采用图示的支座布置方式时：其一，由于桥墩柔度较大，支座的平面支反力会较小；其二，曲线梁虽然会有横桥向的位移，但该位移与桥墩的变形是一致、协调的，而且在梁端与箱梁曲线梁之间也没有相对位移；其三，由于箱梁截面为扁箱，且有双柱墩，曲线梁的平面旋转角度也很小，不会出现支座脱空。因此，采用较多的单向活动和固定支座是可行的。6.2现场实物图减小下部结构的抗推刚度。采用下图中的支座布置方式，随着桥墩高度的减小，曲线梁桥下部结构的抗度刚度逐渐增大，可能会有部分支座出现平面支反力过大，以及墩底弯矩过大而出现墩底拉应力超出混凝土的抗拉强度的情况。此时，可以采取减小下部结构抗推刚度的方法，增加桥墩的柔度。具体的做法是如图所示：（1）优化基桩的布置，在满足其承载力的基础上，可以将群桩改为单排桩；（2）如果采用单排桩的下部结构柔度仍然不能满足要求，可以进一步采取取消承台的做法。图6.3如果曲线梁桥下部结构为刚性墩，即墩身较矮、抗推刚