小半径新型桥梁的设计及受力分析
时间：2023-04-21 13:25:06 来源：千叶帆 本文已影响人
尤启源
(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430033)
基于小半径钢-混凝土结构的新型桥梁结构形式进行研究分析，该桥型的横向连接缝都是采用湿接缝进行浇筑[1]。对于传统混凝土结构，随着荷载的不断作用这种横向湿接缝也会出现损坏。组合型钢混结构具有较强的荷载承受能力和抗屈服能力，因此在性能方面比传统的桥梁结构存在优势。钢混组合梁底部为钢板，可表现出较好的整体性能[2]。通过有限元软件建立空间模型，以更好的对小半径钢混叠合梁桥受力特点进行计算分析[3]。
1.1 曲线梁受力分析
(1)荷载作用下，曲线梁桥由于自身结构的特殊性，会表现出扭曲变形、弯曲变形。桥梁在扭转作用和弯曲作用下，会导致自身的耐久性降低。主要原因为曲线桥承受的扭曲变形相比于直线桥大很多，因此在扭曲作用下，曲线桥边梁会发生变形。当曲线半径越小时，挠曲变形越大[3]。
(2)扭转作用下，曲线桥梁的外边缘应力分布状态应尽可能均匀，小半径的曲线桥在外荷载作用下，会产生内侧支座反力小于外侧支座反力；
内侧负弯矩应大于直线段。因此在对曲线梁桥进行设计时，应对跨径分配问题进行详细计算和重点分析[4]。
(3)由于曲线梁自身受力情况，主要受力特点为：弯矩、扭矩的耦合作用。
1.2 钢混叠合梁桥的力学性能
经过工程实践得出，直线桥与曲线桥受力特点主要有以下特点。
小半径曲线梁桥重心位于横截面外侧，桥梁受到扭矩作用时，最终形成弯扭组合变形。当桥梁的曲线半径越小时，组合变形越大[5]。
桥梁的设计中对于一般小曲线半径，为了改善小曲线桥受力特点可以通过改变翼缘板的设置宽度，这种方式经验证是非常有效的。小半径桥梁主要受力作用是梁体扭矩，采用钢混叠合梁桥的结构形式可以有效的减小梁体的扭矩作用对梁的不利影响，钢混叠合梁桥近些年的发展能够有效体现连续梁结构特点，梁的整体性相比一般连续梁结构更加稳定，降低了梁体的不利受力带来的弊端，就行车特点而言，小半径曲线梁桥的桥面铺装特点，对梁体的整体结构受力有着重要的作用。
2.1 梁体吊装过程分析
钢混叠合梁在小半径曲线段施工时，梁体吊装过程中会产生挠曲变形，吊装过程变形趋势和梁体受力产生挠曲变形是一致的，吊装阶段梁体由于梁自重作用产生挠曲变形，这种梁体的挠曲变形可以采用临时支承墩以减小梁体施工过程中的挠度，临时墩柱可以有效减小墩柱的荷载，在梁体吊装施工阶段跨中会产生较大的挠度，这是由于桥梁设计受力产生的，根据现有的桥梁设计证明，运营过程中曲线半径为80 m的钢混叠合梁桥产生的荷载和挠度最大，当钢混叠合梁桥在曲线半径为150 m时，产生的挠曲变形量相对较小[6]。
2.2 梁体浇筑、拆除支架受力分析
钢混叠合梁施工过程中承受变形主要是由梁体自重产生的，挠度从外侧边部到内测边缘逐渐减小是在整个施工过程中受力变化趋势，从浇筑梁体至形成强度拆除支架，在临时支撑作用下曲线梁桥固结作用受力影响会减小，钢梁主要产生的扭曲变形作用较为明显，梁体的内外侧边缘部位受力作用与桥中轴线的挠曲变形方向一致，这种受力特点和预制结构受力特点是相同的。用于抵抗梁体变形的受力体系是预应力，经实践证明曲线桥的半径越小，预应力作用效果越明显，桥跨结构的变形减小程度越明显，越有利于减小挠度，桥梁安全性越好[7]。
桥梁安全性的重要评定参数是屈曲安全系数，这个安全系数直接反映了桥梁受力变形特点，梁体产生的变形被定义为屈曲变形，是桥梁结构产生变形达到梁体的屈服荷载时所产生的变形状态。如果桥梁产生屈曲变形，且屈曲因子不大于1时，为了减小这种屈曲变形，可以通过减小桥梁荷载来实现。当屈曲变形因子大于1时，为有效增大梁体的屈曲变形，可以通过增加桥梁的荷载来实现。
3.1 工程实例
本次选用某山区跨河路段的桥梁作为研究对象，桥梁半径为80 m，采用钢混叠合梁结构形式，桥跨选用35 m跨径，梁体高度为170 cm，桥面顶板厚20 m，腹板宽20 cm，跨中梁体的翼板边缘长25 cm，梁宽900 cm，底板采用波形钢板，采用这种钢混叠合梁结构形式在小半径曲线段能够很好的解决桥梁受力问题，在很大程度上增加了桥梁的跨越能力，由于组合后结构重量相对混凝土梁小，也能够充分发挥梁体在耦合作用下优势，桥梁的自重减小，梁体施工中工艺较为简单，有效避免了因梁体挠度过大产生裂缝，还能很好节约建设成本。
高速公路汽车速度较快，桥梁受力主要靠预应力筋承担，产生影响较大，在曲线段预应力筋采用分批进行张拉，按照梁的受力曲线布置。钢混叠合梁采用钢波纹底板和混凝土结构进行组合，见图1。
图1 钢混叠合梁断面图(单位：cm)
3.2 桥梁建模及计算
建立梁体midas Civil有限元模型，将梁体计算节点分成2 152个，结构单元分成2 015个，通过受力模型对梁体受力分析，桥梁单元模型结构见图2。
图2 midas Civil梁体结构模型
3.3 梁体受力结果分析
经过Midas Civil建模分析，增加横隔板能够很好的改善桥梁的整体受力性能。以曲线匝道桥，曲线半径r=80 m为研究对象，24.65 m、24.61 m为梁体的横向连接系数，计算选取23.23 m。按照以下公式计算横向分布系数η
η=
如果梁体实际值比假定理想状态下取得设计值小，横向的分布系数η>0零。梁体比理想状态下设计值大，分布系数η<0。横向力分布系数η的绝对值越大，桥梁横向连接受力越敏感；
横向力分布力系数η的绝对值越小，桥梁横向连接受力越不敏感。
假定以下三种理想状态，计算横向分布系数如表1所示。
理想状态一：梁体横隔梁连接很好；
理想状态二：仅计算面板与横隔板之间的连接刚度，忽略1#梁和2#梁横隔板连接刚度；
理想状态三：仅计算面板与横隔板之间的连接刚度，忽略2#梁和3#梁横隔板连接刚度。
表1 梁体的横向分布系数计算表
从表1中可以看出：在小半径曲线段对梁的横向联系依赖性较高，结构的稳定性较差。
4.1 建立模型
选取5 m×2 m的桥面板作为研究对象，对其建立有限元模型，同时赋予混凝土本构模型，波纹钢采用Q235钢材，厚度取值为5 mm。混凝土结构采用C50混凝土。简支梁的约束条件为一个活动支座、一个固定支座[8]。
4.2 桥面板受力分析
为分析桥面板的受力特性和桥面板裂缝情况，因此在面板顶部施加集中力，大小为1 m2。沿横断面跨中位置竖向取点，距离桥面顶距离分别为0 m、0.05 m、0.1 m、0.175 m、0.25 m。在集中荷载作用下，桥面板跨中位置应变见图3。
图3 不同位置荷载变化图
通过对图3进行分析可知：桥面板底部开裂前，荷载与应变存在正相关变化。桥面板和波纹钢折板受拉，桥面板顶部受压。当荷载系数增大时，混凝土应变增长值增大，混凝土底部发生开裂现象。
4.3 桥面板参数分析
桥面板由C50混凝土和波形钢板组成，材料设计参数对桥面板的承载能力有较大影响。因此通过对桥面板参数进行设计，得到较为合理的面板结构，使桥面板的承载能力得到提高。
(1)波纹钢折板强度影响
将波纹钢强度作为研究对象，通过调整荷载系数来分析桥面板的变化情况。选取钢材分别为Q235、Q295、Q345、Q390、Q420，对桥面板的位移情况进行分析。
通过计算结果可知：荷载系数为0.63，Q235达到控制点；
荷载系数为0.68，控制点在Q295；
控制点在Q345，荷载系数为0.7；
控制点在Q390，荷载系数为0.71；
控制点在Q420，荷载系数为0.72(简支梁最大挠度12.5 mm做为控制点)。不同型钢增量曲线见图4。
图4 不同型钢增量曲线图
通过对图4进行分析可知：在挠度控制下，钢材增长最小的为Q235钢材；
钢材增长最大的为Q420钢材。但提高钢材型号对桥面板承载能力并没有较大程度提升。相反钢材型号过大导致原材料浪费。
(2)波纹钢折板厚度影响
通过对不同波形钢板厚度进行分析，得到桥梁承载能力变化情况。波形钢折板厚度取值分别为3 mm、5 mm、7 mm、9mm。通过有限元建立模型得到计算结果如下所示。
当3mm波纹钢底板荷载系数为0.53时，挠度达到最高点；
当5 mm波纹钢底板荷载系数为0.64时，挠度达到最高点；
当7 mm波纹钢底板荷载系数为0.72时，挠度达到最高点；
当9 mm波纹钢底板荷载系数为0.75时，挠度达到最高点(简支梁最大挠度12.5 mm做为控制点)。不同板厚增量曲线见图5。
图5 不同板厚增量曲线图
通过对图5进行分析可知：增加波纹钢的厚度效果比强度更加明显。波纹钢折板由3 mm变化至5 mm时，波纹钢承载力提高，提高数值为20%。当厚度由5 mm变化至9 mm时，承载力增量出现降低趋势。该现象表明当钢折板厚度为5 mm时，钢材利用程度最高。
从受力出发研究，小半径钢混叠合梁桥的设计及施工过程，对小半径曲线梁桥进行了系统全面的受力分析，根据工程实例建模进行研究，首先对梁的整体受力体系进行了分析，对于钢混叠合梁结构受力特点进行分析总结发现，钢混叠合梁能够很好的改善曲线段桥梁扭矩较大的问题，减小了对梁体的不利影响，这种作用增加了梁的整体安全稳定性，能够很好的适应连续梁结构受力，小半径曲线梁桥的铺装整体性和梁体的整体性对于改善桥梁结构有着重要的作用。经过分析荷载挠度最大时，钢混叠合梁曲线半径为80 m，荷载挠度最小时，曲线梁的半径为150 m。小半径新型桥梁设计主要考虑横隔板的受力影响，梁体的横向分布系数用于评价桥梁设计的敏感性。
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