曲線連續(xù)梁橋的病害與溫度效應(yīng)

Word版本，下載可自由編輯曲線連續(xù)梁橋的病害與溫度效應(yīng)曲線延續(xù)梁橋的病害與溫度效應(yīng)是十分重要的，了解事物本質(zhì)才干建立兩者之間的聯(lián)系，每個(gè)細(xì)節(jié)都影響深遠(yuǎn)。我就曲線延續(xù)梁橋的病害與溫度效應(yīng)和大家介紹一下。

前言

與直線梁橋相比，因?yàn)榍实挠绊?，?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(jiàn)的問(wèn)題表現(xiàn)為為曲線梁沿徑向的位移過(guò)大，在一定條件下，有時(shí)會(huì)驟然發(fā)生較大的整體位移。隨著發(fā)生問(wèn)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2023年托付權(quán)威橋梁機(jī)構(gòu)對(duì)市區(qū)47座橋梁舉行檢測(cè)或監(jiān)測(cè)，檢查結(jié)果被認(rèn)為是“充分裸露了深圳橋梁，尤其是獨(dú)墩單支座曲線橋梁存在的結(jié)構(gòu)平安問(wèn)題不容忽略”。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顯然缺陷，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，在重車高速利用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)峻影響橋梁的平安運(yùn)營(yíng)。

盡管各橋狀況各異，但對(duì)此問(wèn)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)象的熟悉還不夠深化，理論分析辦法仍不全面和精確?????，以致某些橋在某種工況下發(fā)生過(guò)大的扭改變形，在施工或完成后簡(jiǎn)單造成內(nèi)側(cè)支座脫空、支座破壞等；

梁體發(fā)生側(cè)移、扭改變形的起因比較復(fù)雜，多數(shù)因?yàn)槌掷m(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；

國(guó)家及相關(guān)部門對(duì)此類曲線橋梁尚缺完美的設(shè)計(jì)規(guī)范；

關(guān)于此類橋梁承受持續(xù)環(huán)境荷載的討論，尚有較大的欠缺。

因此，對(duì)曲線梁橋舉行較深化的討論，己經(jīng)日趨得到各方面的重視。本文應(yīng)用有限元辦法，以延續(xù)曲線箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)溫度荷載作用下曲線延續(xù)梁橋的受力與變形特點(diǎn)舉行分析。

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，其中其次聯(lián)平曲線半徑R=243．7m，橋?qū)?．5m，上部構(gòu)造為6×30m預(yù)應(yīng)力混凝土延續(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)。為防止扭改變形，設(shè)計(jì)中將其次聯(lián)獨(dú)柱墩中心線沿徑向向外側(cè)偏移9cm。其次聯(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(wèn)距2．5m，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(jiàn)圖1所示。

圖1B匝道橋其次聯(lián)樁位平面布置圖

該匝道橋已于2023年底完成箱梁主體的施工，2023年8月，在B匝道橋第一聯(lián)完工后舉行橋面鋪裝工程的施工預(yù)備工作時(shí)，發(fā)覺(jué)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4．5cm。2023年6月，利用進(jìn)一步的檢測(cè)發(fā)覺(jué)，變形又有所增大，第7孔箱梁中線沿徑向向外偏移約7．5cm，如圖2所示。而且，浮現(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)的扭改變形約。為保證該橋在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下正常工作，打算對(duì)該橋舉行復(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32047個(gè)單元。其中，箱梁橫隔板采納Shell43殼單元，共計(jì)490個(gè)單元；其他橋面結(jié)構(gòu)采納殼單元Shell63，共計(jì)28080個(gè)單元；預(yù)應(yīng)力鋼束采納Link8單元，共計(jì)3468個(gè)單元；支座偏心采納剛臂單元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(shuō)明：

混凝土容重2500ks/m3，鋼材容重7800kg/m3，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，彈性模量E=3．45XN/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)光照耀后，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。因?yàn)榻Y(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。討論資料表明，溫度應(yīng)力可以達(dá)到、甚至超過(guò)汽車活載作用下的應(yīng)力。

溫度效應(yīng)，包括年平均溫差和日照驟變溫差。然而，因?yàn)榧夹g(shù)水平的限制，我國(guó)的馬路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了整體升、降溫柔頂板升溫的工況，而關(guān)于豎向溫度梯度則只給出了T形截面梁的容易日照溫差分布圖，在箱形截面上的適用性如何至今還沒(méi)有精確?????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)的影響十分大。目前，世界各國(guó)對(duì)于豎向溫度梯度的分布也沒(méi)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，互相之間的差別也很大。

因?yàn)槎诤爿d中僅有護(hù)欄一項(xiàng)，而橋面鋪裝等還沒(méi)有完成，使梁體發(fā)生偏移的主要緣由應(yīng)當(dāng)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)考慮了常年溫差和日照溫差的影響。

其中，箱梁頂板升溫10℃是在參考新《馬路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、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。按照橋梁方位，曲線箱梁的里側(cè)面對(duì)東南方向，因此里側(cè)直接受太陽(yáng)照耀，溫度應(yīng)當(dāng)比外側(cè)高，里外側(cè)溫差10℃是按照現(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(guò)小。

1．4．2工況2

利用計(jì)算發(fā)覺(jué)，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，但是扭改變形突出，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顯然，梁端最大位移為1．1cm，說(shuō)明常年溫差的作用是造成曲線橋梁發(fā)生徑向偏移的主要緣由，而扭改變形則介于工況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柔頂板升溫之間，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顯然，說(shuō)明曲線箱梁橋具有較好的反抗外徑溫度高、內(nèi)徑溫度低引起變形的能力，因此說(shuō)，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《馬路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、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《馬路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，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)算計(jì)劃，并分離將依據(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《馬路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》

在附錄五中關(guān)于T形截面延續(xù)梁由日照溫差引起的內(nèi)力的計(jì)算中規(guī)定：在無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可假定溫度差+5℃，并在橋面板內(nèi)勻稱分布。為了便于對(duì)照，計(jì)算工況均取工況2時(shí)的條件，惟獨(dú)梯度溫度不同，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

1．5．2《馬路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》依據(jù)第4．3．10條第3款規(guī)定：對(duì)混凝土鋪裝橋面來(lái)說(shuō)，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)上舉行改動(dòng)的。該工況下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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)照分析結(jié)果

利用3個(gè)計(jì)算計(jì)劃的對(duì)照可以發(fā)覺(jué)，按照現(xiàn)有約束條件，依據(jù)原《馬路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》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)浮現(xiàn)拉力，而依據(jù)新的馬路橋規(guī)中的梯度溫度計(jì)算時(shí)，產(chǎn)生的拉力十分大，達(dá)到333kN。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(shuō)明，新的馬路橋規(guī)在梯度溫度方面的改動(dòng)幅度很大，過(guò)渡不是很平順；另一方面也說(shuō)明，我國(guó)原馬路橋規(guī)關(guān)于梯度溫度的規(guī)定顯然不合適，而且無(wú)論是與新的馬路橋梁規(guī)范或是新的《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》相比都偏于擔(dān)心全，這也是造成本文所分析的曲線延續(xù)箱梁橋發(fā)生支座脫空和徑向偏移的緣由之一。

1．6主要緣由分析

針對(duì)本文所分析曲線延續(xù)箱梁橋所浮現(xiàn)的病害，通過(guò)ANSYS程序舉行了建模和分析，計(jì)算結(jié)果表明：首先，我國(guó)原馬路橋規(guī)關(guān)于梯度溫度的規(guī)定顯然不合適，而且是偏于擔(dān)心全，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緣由之一。

第二，原有設(shè)計(jì)偏心偏小，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(guò)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)支座還不至于浮現(xiàn)拉力。但是，在不利溫度作用下內(nèi)側(cè)支座會(huì)浮現(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度的扭改變形，垂直面內(nèi)的高差約8cm。

再次，因?yàn)猷駠髑€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)1．1cm，因?yàn)榱后w已經(jīng)發(fā)生較大的扭改變形，使得該徑向偏移不能自動(dòng)復(fù)位，并隨時(shí)光增長(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。

利用施加反向溫差的計(jì)算表明，不會(huì)造成沿徑向的偏移狀況，因此說(shuō)，不利的橋位、支座設(shè)置和溫度場(chǎng)的綜合作用是造成梁體發(fā)生非正常錯(cuò)位的主要緣由。

2、處理計(jì)劃

在參考國(guó)內(nèi)同類病害橋梁處理計(jì)劃的基礎(chǔ)上，并考慮到施工操作的可行性，共提出3個(gè)支座更換計(jì)劃，分離是：

處理計(jì)劃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；

處理計(jì)劃2：除墩外，其余墩上支座均更換為

單向活動(dòng)支座；

處理計(jì)劃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；

處理計(jì)劃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。

在普通曲線延續(xù)箱梁設(shè)計(jì)中，抗扭跨徑不宜超過(guò)100～120m，而本文分析的曲線延續(xù)箱梁橋的抗扭跨徑已達(dá)180Ill。在綜合考慮并借鑒國(guó)內(nèi)同類病害橋梁處理計(jì)劃的基礎(chǔ)上，打算采納處理計(jì)劃3作為終于實(shí)施計(jì)劃，并在實(shí)施過(guò)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400kN以上的壓力，可以保證內(nèi)側(cè)支座不再浮現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

3、處理效果

與設(shè)計(jì)坐標(biāo)對(duì)比，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0．9cm左右。

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。按照高程測(cè)量結(jié)果，梁體已經(jīng)基本沒(méi)有扭改變形，箱梁底面已基本調(diào)平，殘余的扭改變形約，與本來(lái)的扭轉(zhuǎn)相比，殘存的扭改變形很小。

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)支座不再浮現(xiàn)拉力和脫空現(xiàn)象。

4、結(jié)論

溫度效應(yīng)對(duì)曲線延續(xù)梁橋的影響是顯著的，原馬路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范