不同曲线半径下刚构桥悬臂法施工受力分析

刘 涛

曲线刚构桥的线形控制要比一般悬臂施工的直线刚构桥更重要也更复杂。对于曲线刚构桥,由于存在弯扭耦合效应,悬臂施工时箱梁截面在预应力、自重以及其他施工荷载的共同作用下产生扭转,当转角过大,即箱梁横截面左右挠度差值不能忽略时,需设置扭转预拱度。同时,曲率影响还使高墩产生径向位移,这对于墩身竖直度及平面线性的控制也有影响,因此需对桥墩和主梁设置径向预偏位。

对于采用悬臂浇筑施工的曲线刚构桥来说,以往杆件内力分析方法不能体现其截面上应力的空间分布,并且施工过程结构受力体系发生多次转换,结构应力变化复杂,因此对变截面连续曲线刚构桥空间应力分布规律的研究十分重要。

1 建立模型

以红石梁大桥为原型,利用有限元软件ANSYS建立模型,梁高沿跨径方向按二次抛物线变化,选择曲线半径400 m,500 m,600 m。在悬臂施工阶段,除临时施工荷载外,T构主要承受自重和预应力作用,对自重进行分析时,最大悬臂阶段是应力最不利情况,因此计算时取最大悬臂状态。

2 比较与分析

2.1 扭转角比较

悬臂部分任意截面的扭转角定义为截面内外缘竖向高差与截面宽度的比值,符号规定向曲线内侧扭转为负,向曲线外侧扭转为正。将不同曲线半径、墩高情况下最大悬臂端顶板扭转角进行对比。施工阶段悬臂部位的扭转主要来自两部分的作用:1)因为曲线悬臂恒载自身沿顺桥向纵轴产生扭转力矩,使得悬臂部分相对于墩顶向曲线内侧扭转;2)因为悬臂自重对桥墩相当于偏心力作用而使墩身内倾,墩顶截面向曲线内侧旋转,加剧了最大悬臂端的绝对扭转变形。

表1 不同曲线半径下施工阶段最大悬臂状态扭转角

从表1可以看出,施工阶段墩身向内侧弯曲,墩顶扭转角随着悬臂部分曲率的减小而增大,且曲率越小变化越大,幅度由曲线半径每减小100 m,扭转角增大23%加剧到增大28%。“差值”代表悬臂部分的相对扭转,是第一种因素作用的结果,其值亦随半径减小而增大,变化幅度从14%增大到19%。

2.2 竖向位移比较

悬臂部分变形是个空间问题,其中竖向位移主要包括两部分:悬臂部分在弯矩和扭矩共同作用下的位移以及墩身在压力作用下的压缩变形和横向弯矩下的内倾位移。竖向位移符号规定向上为正,向下为负。从图1,图2可以看出,墩高一定,曲线半径减小,最大悬臂端与悬臂根部竖向位移增大,半径越小变化越明显。曲线半径变化100 m时,最大悬臂端处内缘竖向位移变化幅度为 11.4%～12.5%,外缘竖向位移变化幅度小于内缘,为2.6%～4.9%,内外缘变化幅度不同与扭转变形有关。曲线半径越小,横截面内外缘位移差越大,在悬臂根部表现尤为突出。

2.3 径向位移比较

自重作用下,曲线箱梁T构上部结构重心偏向内弧一侧,墩身承受较大的横向弯矩,使得T构墩身产生偏向圆心的侧弯,并带动主梁产生向平曲线内侧的偏位。径向位移符号规定向曲线内侧偏移为负,向曲线外侧偏移为正。

从图3可以看出,曲线半径越小,箱梁自重重心偏离墩身轴线的距离越大,墩身所受横桥向弯矩越大,产生的侧向水平位移就越大,变化幅度为每100 m增大16%～19%,半径越大,变化趋势渐弱。

2.4 正应力比较

自重作用下,曲线悬臂刚构产生负弯矩和扭矩,箱梁顶板截面绝大部分受拉,底板截面受压,但是由于扭矩的影响,应力在横截面上的分布是不均匀的,同时考虑到箱梁截面剪力滞效应影响,靠近腹板处应力增大,远离腹板处应力减小。正应力符号规定拉应力为正,压应力为负。

从图4,图5可以看出,曲线半径减小,悬臂根部顶板内缘应力增大,外缘应力减小,曲线半径越小,内外缘应力差值越大,正应力分布的不均匀程度加强,得出曲线箱梁随曲率的增加弯扭耦合效应相应增大。

3 结语

自重作用下,曲线悬臂刚构受弯矩和扭矩共同作用,向曲线内侧扭转,使得内缘低外缘高,截面挠度大于同等跨径直线桥,应力变化主要受弯扭耦合影响,内侧大外侧小,半径越小横截面应力内外侧差异越大。曲线桥在成桥运营阶段,曲线跨径内主梁承受外倾扭矩,使主梁截面相对于墩顶截面向曲线外侧旋转,而悬臂施工阶段的悬臂端的反方向扭转可作为预设扭转角,达到控制最终变形的目的。大跨高墩预应力连续刚构桥的结构复杂,施工阶段较多,周期较长,环境变化大,各个阶段的受力与变形也不断变化,正确掌握各施工阶段变形与受力情况对准确合龙及大梁的空间变形符合设计值具有重要意义。

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