小半径曲线箱梁独柱墩匝道桥有限元分析

小半径曲线箱梁独柱墩匝道桥有限元分析

高速重车的高流量和频率加载对小半径曲线的结构提出了更高的要求。与线性桥相比，曲线桥的承受更复杂。在调查现有曲线桥时，发现大多数曲线桥存在不同程度的损伤，如内部支架的空虚、位移、崩塌、梁体破裂、旋转和滑动。当曲线桥的半径R<100m时，就被称为小半径曲线桥，与大半径曲线桥相比，在跨径相同的情况下，因为曲率半径小，小半径曲线桥的“弯扭耦合”作用更加明显，对抗扭性能的要求也更高。在曲线梁桥下部结构设计时，其下部墩柱往往采用独柱支承方式，且独柱墩顶单支座大多采用径向预偏心方法，从而降低结构的扭矩峰值，达到合理设计的目的，为了了解小半径曲线桥在实际车辆荷载作用下的工作情况，以安徽省铜陵市某城市立交桥的小半径曲线桥为依托工程，对小半径曲线独柱墩桥的抗扭性能进行荷载试验，得到了一些研究成果。1下部结构结构铜陵市某互通立交A匝道桥（图1）跨径布置为3×（3×20)m，全长183.44m。平曲线采用R=50.0m的小半径圆曲线。上部结构采用梁高1.4m的等高度斜腹板（加圆倒角）钢筋混凝土连续箱梁。下部结构桥墩采用扁柱式墩，墩顶弧形加宽，长边中间刻凹槽，中墩支座采用盆式支座径向预偏心e=25cm。中、边墩台断面见图2。在伸缩缝处采用双柱式墩，墩顶用系梁连接，桥台为轻型埋置式桥台，桩基础。桥梁全宽8.5m。设计荷载等级：城-A级。2有限元模型分析考虑结构受力特点，选择该桥桥墩墩身最高的第一联进行静载试验研究，该联为3×20m，由于该桥为曲线桥，为对桥梁结构进行准确的模拟分析，分别采用目前较为广泛使用的有限元计算软件Midas/Civil和Midas/Fea分别建立空间梁单元和实体单元进行计算分析，其中梁单元模型共75个节点，74个单元，实体单元模型共5323个节点，16002个单元。根据模型计算结果，为检验结构的抗扭及弯扭耦合性能，设定的加载工况见图3。不同预偏载作用下控制截面A2#墩内外侧侧向位移计算结果见表1，各工况作用下反力计算结果见图4。从图4可以看出，各种工况作用下，大部分支座反力小于自重作用的支座反力，但个别支座在工况2、3作用下的反力较大，甚至大于恒载作用下的支座反力，因此所产生的扭转效应还是比较大。从表1可以看出，内偏载作用下，中墩内外侧侧向位移预偏载为25cm时为最小值；外偏载作用时，中墩内外侧侧向位移预偏载为35cm时为最小值。3结构特点及应变分析在控制截面处布置应变测点和挠度测点是荷载试验的主要测试内容。根据该结构特点，此次试验主要测试箱梁的抗扭和抗弯性能，应变测点主要采用对称布置。为了准确测试控制断面的各点位移，同时在独柱墩断面内外侧底部布置了竖向、侧向位移计对墩顶处箱梁的竖向和侧向位移进行测试（图5）。4外侧应变、内跨荷载作用各应变测点、位移测点在各工况作用下的测试值和理论值见图6、7及表2、3。从应变试验结果来看，各工况下应变测点值绝大部分小于理论值，与理论值增长相关性较好。且在内偏载作用下边跨箱梁偏载（工况2）内侧与外侧应变之比（1.77）比中跨箱梁（工况4）内侧与外侧应变之比（1.71）大；在外偏载作用下边跨箱梁（工况3）内侧与外侧应变之比（0.67）比中跨箱梁（工况4）内侧与外侧应变之比（0.63）大。说明同样的荷载在同样跨径的曲线梁上，边跨扭矩效应比中跨大。扭转荷载（工况1）作用下，应变值较小。从位移试验结果来看，在内偏载作用下边跨箱梁（工况2）内侧与外侧位移之和（0.36mm）大于中跨箱梁（工况4）的内外侧位移之和（0.32mm）；在内偏载作用下边跨箱梁（工况3）内侧与外侧位移之和（0.22mm）大于中跨箱梁（工况5）的内外侧位移之和（0.18mm）。说明同样的荷载在同样跨径的曲线梁上，边跨扭矩效应比中跨大。扭转荷载（工况1）作用下，位移之和较小。从侧向位移试验结果来看，内偏载的侧向位移均大于外偏载的侧向位移；边跨偏载作用下的侧向位移均大于中跨偏载作用下的侧向位移；扭转荷载产生的侧向位移最小。5外偏载作用时内外侧位移预偏载较好(1）从支座反力计算结果来看，在边跨内外偏载作用下，边跨过渡墩支座反力较大，最大值超过自重作用下的支座反力，说明车辆荷载在边跨偏载作用下，产生的扭矩较大。(2）内偏载作用下，中墩内外侧侧向位移预偏载为25cm时为最小值；外偏载作用时，中墩内外侧侧向位移预偏载为35cm时为最小值，设计预偏载对内偏载较为有利。(3）从实测结果来看，边跨无论在内偏载还是外偏载作用下实测内外侧应变比和内外侧位移之和均大于中跨。(4）从内偏载和外偏载的内外侧位移之和来看，内偏载均大于外偏载，说明结构的主要控制扭矩在内偏载，从测试值均小于理论值看，结构抗扭性能较好。