简支变双支座连续箱梁体系转换受力特性分析

高香龙，许 冰

(1.陕西省交通建设集团公司;2.西安公路研究院)

1 理论模型

实桥桥宽21.5m，跨径25m;上下行分幅，单幅桥面净宽10.75m横桥向布设4片预制箱梁，箱梁截面尺寸如图1。箱梁底、腹板共配6束4φs15.24、2束3φs15.24的预应力钢绞线，箱梁顶板负弯矩区配3束4φs15.24、2束5φs15.24的预应力钢绞线。预应力钢筋采用高强度低松驰钢绞线，并符合《预应力混凝土用钢绞线国家标准》(GB/T 5224-2003)。

图1 箱梁截面 单位:mm

采用杠杆法和刚接梁法进行横向分布系数的计算，得出四片主梁横向受力最不利时的横向分布系数，分别为0.663、0.553、0.547和0.645，因此选取实桥受力最为不利的横向边梁为研究对象;应用有限元分析软件MIDAS Civil 2010，建立单梁模型，对桥梁体系转换过程进行模拟分析和计算，计算模型如图2所示。

图2 计算模型

实桥的板式橡胶支座，在有限元模型中采用节点弹性支撑模拟。根据板式橡胶支座的支承刚度对主梁节点位移进行约束，滑动支座顺桥向、横桥向弹性支承刚度为4 091kN/m、竖向支承刚度取2.6×106kN/m，固定支座顺桥向弹性支承刚度取109kN/m。模型材料特性如表1所示。

表1 材料特性

先简支后连续箱形双支座连续梁桥结构体系转换分为三个阶段:(1)简支阶段:预制主梁，混凝土达到设计强度的100％后，张拉正弯矩区预应力钢束。安装好永久支座，逐孔吊装主梁并安置于支座上，主梁处于简支状态。本阶段荷载包括主梁结构的自重以及预应力荷载，模型中按照实际情况计入。(2)体系转换阶段:墩顶两排支座中心线相距60cm，及时连接桥面板钢筋及端横梁钢筋，并浇筑墩顶湿接缝处混凝土，待混凝土强度达到设计强度的100％后，张拉负弯矩预应力钢束，并压注水泥浆，进行结构体系的转换。(3)成桥阶段:进行防水层、桥面铺装和护栏施工，模型中按均布荷载考虑，取值13.05kN/m。

2 体系转换过程受力性能分析

简支变连续的体系转换过程中，预应力箱梁承受对称荷载作用，因此结构变形关于中跨跨中截面对称分布，体系转换过程中的线形变化如图3所示。由图3结果显示，主梁简支状态，由于体内预应力筋的作用主梁发生向上的挠曲变形;体系转换阶段因墩顶负弯矩区预应力筋的张拉，各跨主梁梁体继续上挠且变形值接近;成桥阶段由于二期荷载的作用，相对体系转换阶段主梁产生向下的位移，且边跨下挠位移较中跨、次边跨位移大。五跨预应力箱梁简支转连续的过程中，始终以边跨的上挠变形最大。

图3 简支变连续结构体系转换过程主梁位移

由于预应力钢绞线的作用，五跨简支转连续箱梁在体系转换过程中始终处于受压状态，梁体承受轴向压力和负弯矩。

如图4结果显示，简支阶段各跨主梁轴力分布一致;体系转换阶段因墩顶负弯矩区预应力筋的张拉，墩顶主梁节段轴力增加;成桥阶段因无顺桥向荷载作用，体系转换之后主梁轴力几乎没有变化，成桥后最大轴力出现在墩顶主梁节段。由图5结果显示，简支阶段各跨主梁弯矩分布一致;体系转换阶段因墩顶负弯矩区预应力筋张拉，双支座间主梁出现正弯矩，跨中负弯矩增大;成桥阶段，在二期荷载作用下主梁上挠位移减小，主梁负弯矩值较体系转换阶段减小，而支座截面负弯矩值较体系转换阶段增大;成桥后主梁最大弯矩值出现在边跨主梁节段。

图4 简支变连续结构体系转换过程主梁轴力

图5 简支变连续结构体系转换过程主梁弯矩

由图6和图7结果显示，体系转换过程全桥主梁截面处于受压状态，且截面上下缘应力均小于混凝土抗压强度标准值34.5MPa。简支阶段各跨箱梁上、下缘应力分布相同;体系转换阶段随着主梁向上挠曲变形的增大，相比简支阶段主梁跨中上缘压应力减少，下缘压应力增加;成桥阶段，在二期荷载作用下，跨中主梁上缘压应力较体系转换阶段增大，下缘压应力较体系转换阶段减小，墩顶主梁节段上缘压应力较体系转换阶段减小，下缘压应力较体系转换阶段增大。

图6 简支变连续结构体系转换过程主梁上缘应力

图7 简支变连续结构体系转换过程主梁下缘应力

表2 简支变连续结构体系转换过程主梁支座反力(单位:kN)

由表2结果可以看出，在简支阶段，因各主梁材料、截面和跨度相等，各支座反力大小相近;体系转换后，由于中墩支座刚度的增大，边墩墩顶支反力减少19kN，其余墩顶支座反力增大，其中次边墩支反力增加最多达38kN;同时，相同墩顶支反力出现差值，其中次边墩支反力差值最大12kN，中墩差值较小3kN;成桥阶段，在二期荷载的作用下，各墩顶支反力继续增大，由于次边墩两侧主梁刚度的不同，墩顶支反力差异进一步增加，最大差值为238kN，中墩支反力差值仅46kN。

3 结论

(1)简支箱梁转变为双支座连续梁桥体系转换过程简支阶段、体系转换阶段和成桥阶段三个阶段中，以体系转换阶段主梁受力最为不利，此阶段主梁的位移、应力和内力均为三阶段最大值。

(2)简支箱梁转变为双支座连续梁桥的施工过程中，由于预应力的作用主梁均处于受压状态，并且截面上下缘应力均小于混凝土抗压强度标准值，结构受力安全。

(3)简支箱梁转变为双支座连续梁桥的施工过程中，随着墩顶主梁的连接，墩顶双支座支反力出现差值，其中以次边墩墩顶支反力差值最大，主要由于墩两侧主梁刚度不同所致。由此可见适当的调整次边墩两侧箱梁刚度可以减少墩顶双支座支反力的差异。

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