江 帆

(福州市市政建設(shè)開發(fā)有限公司， 福建 福州 350002)

小半徑曲線梁橋設(shè)計(jì)探討

江 帆

(福州市市政建設(shè)開發(fā)有限公司， 福建 福州 350002)

小半徑曲線梁橋出現(xiàn)病害的現(xiàn)象較為常見。以一座在役的曲線梁橋?yàn)槔?，?duì)其出現(xiàn)病害的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該橋的原設(shè)計(jì)方案存在明顯缺陷。根據(jù)該橋的總體布置和地質(zhì)條件，結(jié)合無伸縮縫橋的相關(guān)研究成果，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出取消橋臺(tái)處伸縮縫，將原橋臺(tái)變更為半整體式臺(tái)；在聯(lián)接墩上增設(shè)蓋梁，同時(shí)將原設(shè)計(jì)的活動(dòng)支座改為固定支座，并增大支座之間的橫向距離，形成抗扭約束；其余橋墩支座全部改為球形活動(dòng)支座并設(shè)置預(yù)偏心。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的曲線橋梁進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有明顯的優(yōu)越性，對(duì)今后類似工程的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

曲線橋； 小半徑； 支座； 病害； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 無伸縮縫橋梁

上世紀(jì)八十年代以來，中國(guó)修建了大量高速公路。在高速公路互通匝道橋中，小半徑的曲線梁橋較為常見。對(duì)于大型互通立交而言，其匝道橋數(shù)量很多且互相穿插，若每個(gè)橋墩都采用雙柱式，不僅占用橋下空間，而且由于互通范圍內(nèi)橋墩密布，行車視線較差。由于匝道橋的跨度和寬度一般不大，為了匝道橋橋型的美觀以及橋下道路布設(shè)的需要，一些工程師在進(jìn)行匝道橋的橋墩設(shè)計(jì)時(shí)采用獨(dú)柱式橋墩?？傮w而言，大部分匝道橋的獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)是成功的，然而，在運(yùn)營(yíng)過程中，匝道橋也出現(xiàn)較多的病害，其中設(shè)置獨(dú)柱墩的小半徑曲線梁橋的支座病害最為常見，需要重點(diǎn)研究。

在工程實(shí)踐中，我國(guó)橋梁建設(shè)者對(duì)曲線梁橋的受力特征及合理邊界條件開展了大量的研究。任茶仙等(2000)[1]研究了連續(xù)曲線箱梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。陳枝洪等(2006)[2]分別應(yīng)用梁格法和簡(jiǎn)單梁法，分析了獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁受力的基本特征及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。陳忠潮(2008)[3]闡述了曲線梁橋的常見病害及原因分析，提出曲線橋的設(shè)計(jì)不宜過分強(qiáng)調(diào)應(yīng)力儲(chǔ)備，宜樹立“弱配(鋼)束、強(qiáng)配(鋼)筋”理念。許莉等(2009)[4]應(yīng)用空間有限元法，分析了在不同荷載、不同支座布置形式下曲線箱梁橋的支座反力和位移，對(duì)其合理的支座布置形式進(jìn)行探討。李翊策等(2012)[5]采用有限元法對(duì)不同墩高曲線梁橋的受力性能進(jìn)行分析，建議墩高大于8 m的曲線梁橋采用墩梁現(xiàn)澆固結(jié)，墩高較矮的曲線梁橋采用固定支座，并設(shè)置徑向外側(cè)的預(yù)偏心。張健、孫全勝、姜愛國(guó)、李廣慧、平然等(2013)[6-10]對(duì)設(shè)置獨(dú)柱墩的曲線梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性和各種不同支承體系下的曲線梁橋的受力性能進(jìn)行了研究，并對(duì)曲線梁橋的設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐中存在的問題進(jìn)行探討。呂宏奎、彭新星等(2013、2014)[11，12]對(duì)曲線梁橋的支座設(shè)置、支座偏位問題及糾偏方案進(jìn)行了研究。

本文以某小半徑匝道橋在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)的病害為例，對(duì)其病害原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)一步對(duì)工程實(shí)踐中常見的小半徑曲線梁橋的設(shè)計(jì)方案和加固措施進(jìn)行討論。在收集既有研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合該橋的總體布置和橋址處的地質(zhì)條件，提出比原設(shè)計(jì)方案和相關(guān)文獻(xiàn)更為合理、更為可靠的設(shè)計(jì)方案，可為今后類似工程借鑒。

1 工程概況

1.1 橋梁基本情況介紹

該橋的橋跨組合為18.0 m +4×20.0 m +18.0 m，平曲線半徑為55.0 m，橋面縱坡為3.281%。B匝道橋標(biāo)準(zhǔn)斷面為橋面寬度8.0 m+2×0.5 m防撞護(hù)欄，全寬9.0 m，匝道橋平面布置圖見圖1。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板梁。下部結(jié)構(gòu)中墩臺(tái)編號(hào)順序?yàn)閺淖蟮接疫f增，起點(diǎn)橋臺(tái)(0號(hào))采用鋼筋混凝土肋板式臺(tái)、樁基礎(chǔ)；橋墩均采用鋼筋混凝土樁柱式墩，其中1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)墩采用單柱式，3號(hào)、6號(hào)墩(聯(lián)接墩)采用雙柱式。本橋的支座型號(hào)有4000GD、6000DX、2000DX 、3000DX等。根據(jù)橋位地質(zhì)勘探報(bào)告，本橋地表處淤泥層厚度為16～26 m之間。

圖1 匝道橋橋型布置圖

1.2 病害狀況

根據(jù)橋梁檢測(cè)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)該橋除3號(hào)墩上固定支座外，其他支座都出現(xiàn)橫向滑移現(xiàn)象，滑移最嚴(yán)重的為伸縮縫處6號(hào)墩上支座，滑移量達(dá)7.0 cm；橋臺(tái)伸縮縫處的內(nèi)側(cè)支座和6號(hào)墩墩頂處的內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，兩支座上下鋼板銹蝕嚴(yán)重。由于梁體的整體跑位，伸縮縫出現(xiàn)上下錯(cuò)位的情況，橋臺(tái)內(nèi)側(cè)擋塊被梁體推擠，已經(jīng)出現(xiàn)較明顯的裂縫，見圖2。

2 原因分析

2.1 原設(shè)計(jì)方案不夠合理

從既有的相關(guān)研究資料[1-12]的分析可知，當(dāng)曲線橋的半徑很小且一聯(lián)的橋孔數(shù)量較多時(shí)，容易出現(xiàn)伸縮縫處內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象。該橋的平曲線半徑僅55 m，一聯(lián)的橋孔數(shù)量達(dá)到6跨，且聯(lián)端處支座的橫向距離偏小，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷，其總體布置上可能存在不合理之處。為進(jìn)一步了解該橋的受力情況，采用國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位常用的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件“橋梁博士V3.3”，對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

a) 內(nèi)側(cè)支座脫空

b) 墩上支座偏位

c) 伸縮縫錯(cuò)位

d) 擋塊被推擠

計(jì)算時(shí)首先根據(jù)該橋的平曲線半徑、原設(shè)計(jì)空心板尺寸、邊界條件等，采用三維梁?jiǎn)卧獙?duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散；根據(jù)該橋在建造過程中，采用逐孔現(xiàn)澆的施工工藝，在計(jì)算分析時(shí)將橋梁施工階段分為5個(gè)步驟，前4個(gè)步驟根據(jù)現(xiàn)澆空心板的實(shí)際施工節(jié)段安裝梁?jiǎn)卧?，并張拉相?yīng)節(jié)段的預(yù)應(yīng)力鋼束，第5個(gè)步驟為橋面鋪裝和欄桿的施工階段。成橋后的全橋計(jì)算模型見圖3。橋梁的結(jié)構(gòu)自重、設(shè)計(jì)車輛荷載、車道布置、梁截面梯度溫度及升溫降溫模式等計(jì)算參數(shù)，均根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ023 — 85)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取值。

各支座在現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范最不利荷載組合下的最大反力Nmax、最小反力Nmin的計(jì)算結(jié)果見表1。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，1號(hào)墩和5號(hào)墩、2號(hào)墩和4號(hào)墩、0號(hào)臺(tái)和6號(hào)墩的支座反力非常接近，表1不再列出。從表1可見，雙支座布置的墩臺(tái)(0號(hào)臺(tái)、3號(hào)墩)的曲線內(nèi)側(cè)支座均出現(xiàn)負(fù)反力。6號(hào)墩支座反力與0號(hào)臺(tái)非常接近，其內(nèi)側(cè)支座的最小反力同樣為負(fù)值。通過對(duì)分項(xiàng)荷載效應(yīng)的進(jìn)一步分析可知，曲線預(yù)應(yīng)力索的空間效應(yīng)、非均勻溫度梯度作用、空心板的收縮徐變等不利組合的彎扭耦合作用，使該橋內(nèi)側(cè)支座反力很小甚至出現(xiàn)負(fù)值，最終出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象。

表1 原設(shè)計(jì)各支座反力匯總表kN編號(hào)NmaxNmin0—11372-260—218734321408130122418331813—12682-163—236931191

2.2 超載現(xiàn)象較嚴(yán)重

該橋位于沿海經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)，交通量非常大，甚至經(jīng)常出現(xiàn)橋上堵車的現(xiàn)象；根據(jù)實(shí)際通行車輛的噸位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一些貨車的總重量甚至超過100 t，大大超出JTG D60 — 2004規(guī)范所規(guī)定的公路一級(jí)的車輛荷載。

由于車輛超載、溫度變化、曲線預(yù)應(yīng)力束的空間效應(yīng)等耦合作用，內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)脫空，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的邊界條件發(fā)生變化，對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響較為顯著。根據(jù)不定期的觀測(cè)結(jié)果，該橋支座的滑移量仍在繼續(xù)發(fā)展。由于梁體的開裂，受力鋼筋更容易受到雨水、大氣環(huán)境的腐蝕，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度均有所降低，且該橋的交通量較大，在頻繁車輛荷載作用下，空心板的開裂日趨嚴(yán)重，亟需進(jìn)行維修加固。

并發(fā)癥發(fā)生率：研究組（5.00%）顯著較對(duì)照組（25.00%）低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表 2。

3 討論

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案一

一般認(rèn)為，出現(xiàn)支座脫空的現(xiàn)象，是由于支座位置的布設(shè)不合理[3-5]。為此，擬將獨(dú)柱墩(1號(hào)墩、2號(hào)墩、4號(hào)墩、5號(hào)墩)支座向曲線外側(cè)橫向外移21 cm；將0-2支座、3-2支座向曲線外側(cè)橫向外移33 cm。支座位置調(diào)整后，其最不利荷載組合下的最小支反力見表2，可見，所有支座均不再出現(xiàn)負(fù)反力。

可見，通過適當(dāng)調(diào)整橋墩和橋臺(tái)的支座位置，就能夠在一定程度上改善該橋的受力狀態(tài)。從設(shè)計(jì)角度，對(duì)支座的位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整并不困難，對(duì)工程造價(jià)的影響也是有限的。因此，在設(shè)計(jì)階段，對(duì)曲線橋梁的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行全面細(xì)致的分析，是非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

表2 支座反力匯總表(支座位置調(diào)整后)kN編號(hào)Nmin編號(hào)Nmin0-1225231580-22733-1395129933-2868

文獻(xiàn)[3]指出，只要聯(lián)端抗扭支座間距和中墩支座的預(yù)偏心距的設(shè)置組合得當(dāng)，并輔以適當(dāng)?shù)乃较尬?，結(jié)構(gòu)的安全是有保證的。該文獻(xiàn)在介紹一座曲線橋的加固措施時(shí)，提出在聯(lián)端分離式雙柱頂增設(shè)蓋梁，并將支座(橋臺(tái)支座及6號(hào)墩支座)的距離拉大，形成聯(lián)端抗扭支座從而達(dá)到改善聯(lián)端曲線內(nèi)側(cè)支座受力的目的。

然而，調(diào)整支座位置的措施雖可達(dá)到改善支座受力，并有效地避免支座出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象，但卻難以解決空心板聯(lián)端橫向位移的問題。這種由于溫度變化、豎向荷載作用所產(chǎn)生的空心板聯(lián)端橫向位移，使伸縮縫出現(xiàn)上下錯(cuò)位(見圖2c)，在長(zhǎng)期車輛荷載的沖擊作用下，伸縮縫極易損壞；同時(shí)，空心板在聯(lián)端的橫向位移對(duì)橋臺(tái)擋塊將產(chǎn)生很大的推擠作用，將可能導(dǎo)致橋臺(tái)擋塊的徹底破壞(見圖2d)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一仍存在不足，需要尋找新的解決辦法。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案二

從第2節(jié)和第3.1節(jié)的分析可知，小半徑彎橋的常見病害一般集中在空心板的聯(lián)端翹曲和橫向位移。因此，若能對(duì)空心板的聯(lián)端進(jìn)行適當(dāng)約束，同時(shí)在其余墩上設(shè)置變形能力大的球形活動(dòng)支座，使空心板的變形通過其曲率的微小變化實(shí)現(xiàn)，有望從根本上解決現(xiàn)有的小半徑曲線梁橋存在的病害問題。

根據(jù)該橋的總體布置和地質(zhì)條件，為了有效地限制空心板的聯(lián)端橫向位移和翹曲，擬取消橋臺(tái)處伸縮縫，將原橋臺(tái)變更為半整體式臺(tái)；按第3.1節(jié)的設(shè)計(jì)在聯(lián)接墩上增設(shè)蓋梁，所增設(shè)的蓋梁在曲線外側(cè)的擋塊尺寸應(yīng)適當(dāng)加大(聯(lián)接墩構(gòu)造見圖4)，以便抵抗空心板由于溫度變化等原因所產(chǎn)生的橫橋向剪切力；根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，適當(dāng)增大3號(hào)墩及聯(lián)接墩處支座之間的橫向距離，形成抗扭約束；1號(hào)～5號(hào)橋墩支座全部改為變形能力更大的球形活動(dòng)支座，以適應(yīng)空心板梁曲率的變化；所有獨(dú)柱墩處的支座均根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，進(jìn)行支座預(yù)偏心的合理設(shè)置。

圖4 聯(lián)接墩(6號(hào))結(jié)構(gòu)圖

目前，無伸縮縫曲線梁橋的設(shè)計(jì)、研究、工程應(yīng)用已有一些基礎(chǔ)和工程實(shí)例。早在1972年，加拿大的安大略省就已經(jīng)建成一座長(zhǎng)度為598.3 m的無伸縮縫曲線橋，該橋曲率半徑在218～1165 m之間變化，其主梁的溫度變形是利用弧形梁體水平面內(nèi)的彎曲變形得以實(shí)現(xiàn)[13]。既有文獻(xiàn)研究資料表明，考慮橋墩的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和橋臺(tái)的承載能力時(shí)，整體式橋臺(tái)橋梁的極限長(zhǎng)度可以達(dá)到540 m;考慮溫度位移產(chǎn)生的疲勞影響時(shí)，整體式橋臺(tái)橋梁的極限長(zhǎng)度可以達(dá)到450 m;考慮橋頭搭板的耐久性時(shí)，極限長(zhǎng)度可以達(dá)到430 m[14]。

常用的無伸縮縫橋梁的類型有整體式、半整體式、延伸橋面板等。一般情況下，當(dāng)橋梁所在位置的地質(zhì)條件較差時(shí)(軟弱土層較厚)，其墩臺(tái)的抗推剛度相對(duì)較小，能適應(yīng)一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的空心板梁在溫度變化情況下的伸縮變形。本橋所在位置的地基中，淤泥層總厚度超過20 m，較合適于建造無伸縮縫橋梁。

采用與文獻(xiàn)[14]相同的建模方法，利用ANSYS有限元軟件建立三維有限元模型，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的曲線橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)空心板梁的支座受力均處于受壓狀態(tài)，不再出現(xiàn)負(fù)反力的情況，且有較大的安全儲(chǔ)備；空心板梁在聯(lián)端受到一定的約束，其變形量非常小，可忽略不計(jì)；各墩處支座的變形量均小于25 mm，在球形支座的容許位移范圍之內(nèi)；所有墩臺(tái)的承載力均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

目前，國(guó)內(nèi)已建成一些無伸縮縫橋梁[15,16]，已積累一些工程經(jīng)驗(yàn)。但總體而言，這種新橋型仍有一些問題需要進(jìn)一步研究，如橋臺(tái) — 樁 — 土系統(tǒng)的非線性作用以及簡(jiǎn)化計(jì)算方法、無伸縮縫橋梁的有效溫度、半整體式或整體式橋臺(tái)橋梁的受力性能等。

4 結(jié)語

曲線梁橋是最為常見的橋型之一，已經(jīng)在我國(guó)的高速公路互通立交橋梁和大量的城市立交橋梁中得以廣泛的應(yīng)用。由于曲線梁橋彎扭耦合的受力性能、預(yù)應(yīng)力鋼束的空間耦合效應(yīng)[17]、溫度變化的作用，以及橋梁設(shè)計(jì)方案存在的不合理性、橋梁在運(yùn)營(yíng)過程中常見的超載現(xiàn)象等復(fù)雜原因，部分小半徑曲線梁橋出現(xiàn)較為嚴(yán)重的病害，存在一定的安全隱患，需要引起重視。

通過對(duì)一座實(shí)橋的病害進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該橋的主要病害在于部分支座(曲線內(nèi)側(cè))出現(xiàn)脫空，且空心板在聯(lián)端位置的橫向位移過大，使原設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)在一定程度上發(fā)生改變。對(duì)原設(shè)計(jì)方案的橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，發(fā)現(xiàn)其存在明顯的不合理之處，是導(dǎo)致該橋出現(xiàn)嚴(yán)重病害的主因。對(duì)既有的加固案例及曲線梁橋的研究資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)常用的加固方案和設(shè)計(jì)優(yōu)化方法雖可在一定程度上改善支座的受力狀態(tài)，但仍無法解決空心板在聯(lián)端位置的橫向位移過大的問題。

根據(jù)該橋的總體布置和橋位處的軟弱土層較厚的地質(zhì)條件，結(jié)合既有的無伸縮縫橋的相關(guān)研究成果，提出對(duì)空心板的聯(lián)端進(jìn)行適當(dāng)約束，同時(shí)對(duì)所有支座的位置和類型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，并采用有限元法對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，優(yōu)化方案具有明顯的優(yōu)越性，適合于軟土地基條件下的曲線梁橋的設(shè)計(jì)，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)借鑒。

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2016-06-21

江帆( 1972-) ，男，高級(jí)工程師，主要從事市政建設(shè)。

1008-844X(2017)01-0118-04

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