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，每個細節(jié)都影響深遠。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，因為曲率的影響，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)也會產(chǎn)生扭矩，所以，曲線橋梁的內(nèi)功、變形計算遠比直線梁橋復(fù)雜。因此，國內(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，有時會驟然發(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，對其結(jié)構(gòu)特點、受力性能及破壞機理分析已引起國內(nèi)橋梁界同行的重視。

據(jù)報道，深圳市城管辦2023年托付權(quán)威橋梁機構(gòu)對市區(qū)47座橋梁舉行檢測或監(jiān)測，檢查結(jié)果被認為是“充分裸露了深圳橋梁，尤其是獨墩單支座曲線橋梁存在的結(jié)構(gòu)平安問題不容忽略”。專家認為：獨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，同時在設(shè)計上難以對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位移，嚴峻影響橋梁的平安運營。

盡管各橋狀況各異，但對此問題，國內(nèi)橋梁界目前已經(jīng)有幾點共識：

當前國內(nèi)對獨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)生過大的扭改變形，在施工或完成后簡單造成內(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)因為持續(xù)環(huán)境荷載的作用、預(yù)應(yīng)力束的設(shè)置與施工不當、支座設(shè)置不合理等多種因素的綜合作用；

國家及相關(guān)部門對此類曲線橋梁尚缺完美的設(shè)計規(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)曲線箱梁橋為工程背景，對溫度荷載作用下曲線延續(xù)梁橋的受力與變形特點舉行分析。

1、工程實例分析

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。橋臺和聯(lián)接墩為雙

柱式，其余墩為獨柱式，下部均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為防止扭改變形，設(shè)計中將其次聯(lián)獨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，其中，墩為單墩固定支座，墩和橋臺并排設(shè)置兩個支座，問距2．5m，為雙向活動支座，其余中間墩均為獨柱雙向活動支座。各墩的樁位平面布置圖見圖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，發(fā)覺在聯(lián)接墩伸縮縫處兩側(cè)的箱梁梁體發(fā)生相對錯位，第7孔箱梁中線沿徑向向外偏移4．5cm。2023年6月，利用進一步的檢測發(fā)覺，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。為保證該橋在運營狀態(tài)下正常工作，打算對該橋舉行復(fù)位和結(jié)構(gòu)體系改善。

1．2計算模型

1．2．1單元剖分

全橋上部結(jié)構(gòu)共剖分32047個單元。其中，箱梁橫隔板采納Shell43殼單元，共計490個單元；其他橋面結(jié)構(gòu)采納殼單元Shell63，共計28080個單元；預(yù)應(yīng)力鋼束采納Link8單元，共計3468個單元；支座偏心采納剛臂單元MPC184，共計9個單元。全橋橋面系共劃分節(jié)點30160個，支座部分節(jié)點共計9個，全橋節(jié)點合計30169個，剖分后的有限元網(wǎng)格局部如圖3所示。

1．2．2計算參數(shù)說明：

混凝土容重2500ks/m3，鋼材容重7800kg/m3，混凝土強度等級為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光照耀后，其向陽表面的溫度變化幅度大，其背陽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。因為結(jié)構(gòu)材料熱脹冷縮的性質(zhì)，勢必產(chǎn)生溫度變形，當變形受到結(jié)構(gòu)的內(nèi)部纖維約束和超靜定約束時至騫構(gòu)會產(chǎn)生相當大的溫度應(yīng)力。討論資料表明，溫度應(yīng)力可以達到、甚至超過汽車活載作用下的應(yīng)力。

溫度效應(yīng)，包括年平均溫差和日照驟變溫差。然而，因為技術(shù)水平的限制，我國的馬路橋梁設(shè)計規(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橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響十分大。目前，世界各國對于豎向溫度梯度的分布也沒有達成共識，如英國、美國、新西蘭和歐洲等國家都有各自的溫度梯度模式，互相之間的差別也很大。

因為二期恒載中僅有護欄一項，而橋面鋪裝等還沒有完成，使梁體發(fā)生偏移的主要緣由應(yīng)當與不利溫度場的作用有關(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)計通用規(guī)范》、現(xiàn)場施工實測資料以及文獻[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)面對東南方向，因此里側(cè)直接受太陽照耀，溫度應(yīng)當比外側(cè)高，里外側(cè)溫差10℃是按照現(xiàn)場施工實測資料以及文獻[7]中的實測記錄確定的。反向溫差的工況是為了考察日照溫差對橋梁方位的影響。

1．4計算結(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)計的9cm預(yù)設(shè)偏心過小。

1．4．2工況2

利用計算發(fā)覺，頂板升溫10℃時，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，曲線梁橋在徑向的位移顯然，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

當曲線箱梁外側(cè)溫度比內(nèi)側(cè)溫度高1O℃時，曲線箱梁橋沿徑向的位移不顯然，說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，曲線箱梁橋的方位對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)計通用規(guī)范》、現(xiàn)場施工實測資料以及文獻[7、10]的基礎(chǔ)上綜合取定的。而原結(jié)構(gòu)設(shè)計所依據(jù)的是《馬路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，為了考察不同設(shè)計規(guī)范中溫度效應(yīng)計算的規(guī)定對箱梁受力的影響，這里設(shè)計了3個計算計劃，并分離將依據(jù)3種計算規(guī)定的計算結(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)力的計算中規(guī)定：在無實測資料時，可假定溫度差+5℃，并在橋面板內(nèi)勻稱分布。為了便于對照，計算工況均取工況2時的條件，惟獨梯度溫度不同，計算結(jié)果如表2所示。

1．5．2《馬路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》依據(jù)第4．3．10條第3款規(guī)定：對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AASHTO規(guī)范基礎(chǔ)上舉行改動的。該工況下的計算結(jié)果見表3所示。

1．5．3頂板升溫1O℃

計算結(jié)果在前面工況2中已經(jīng)給出。

1．5．4對照分析結(jié)果

利用3個計算計劃的對照可以發(fā)覺，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)計規(guī)范》中的梯度溫度規(guī)定計算時，聯(lián)接墩和橋臺的內(nèi)側(cè)支座均不會浮現(xiàn)拉力，而依據(jù)新的馬路橋規(guī)中的梯度溫度計算時，產(chǎn)生的拉力十分大，達到333kN。而按頂板升溫1O℃的計算結(jié)果介于二者之間。

這一方面說明，新的馬路橋規(guī)在梯度溫度方面的改動幅度很大，過渡不是很平順；另一方面也說明，我國原馬路橋規(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)計規(guī)范》相比都偏于擔心全，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

針對本文所分析曲線延續(xù)箱梁橋所浮現(xiàn)的病害，通過ANSYS程序舉行了建模和分析，計算結(jié)果表明：首先，我國原馬路橋規(guī)關(guān)于梯度溫度的規(guī)定顯然不合適，而且是偏于擔心全，依據(jù)該橋規(guī)中的梯度溫度規(guī)定計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)計偏心偏小，造成6墩和12橋臺處內(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，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，因為囫圇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，單種溫度工況時最大的偏移達1．1cm，因為梁體已經(jīng)發(fā)生較大的扭改變形，使得該徑向偏移不能自動復(fù)位，并隨時光增長持續(xù)加大，這種現(xiàn)象國內(nèi)多稱之為——非線性爬行，這也與現(xiàn)場實測偏移逐年增大的結(jié)果相吻合。

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

2、處理計劃

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

處理計劃1：6聯(lián)接墩和橋臺處的外側(cè)支座均更換為單向活動支座；

處理計劃2：除墩外，其余墩上支座均更換為

單向活動支座；

處理計劃1：聯(lián)接墩和橋臺處的外側(cè)支座均更換為單向活動支座；

處理計劃3：在墩外側(cè)增設(shè)鋼管混凝土立柱、并在、墩和臺設(shè)橫向擋塊。

在普通曲線延續(xù)箱梁設(shè)計中，抗扭跨徑不宜超過100～120m，而本文分析的曲線延續(xù)箱梁橋的抗扭跨徑已達180Ill。在綜合考慮并借鑒國內(nèi)同類病害橋梁處理計劃的基礎(chǔ)上，打算采納處理計劃3作為終于實施計劃，并在實施過程中，在6聯(lián)接墩和12橋臺附近的箱梁內(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)計坐標對比，各橋墩、橋臺在徑向基本恢復(fù)到設(shè)計位置，存留的偏移量比設(shè)計位置向內(nèi)偏約0．9cm左右。

各橋墩、橋臺的高程也基本恢復(fù)到設(shè)計位置，墩處內(nèi)側(cè)基本達到設(shè)計標高，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。按照高程測量結(jié)果，梁體已經(jīng)基本沒有扭改變形，箱梁底面已基本調(diào)平，殘余的扭改變形約，與本來的扭轉(zhuǎn)相比，殘存的扭改變形很小。

經(jīng)現(xiàn)場測試，在僅受自重狀態(tài)下，墩內(nèi)側(cè)支座反力約650kN，橋臺內(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)對曲線延續(xù)梁橋的影響是顯著的，原馬路橋涵設(shè)計規(guī)范