简支变双支座连续箱梁体系转换受力特性分析

2014-01-23高香龙

黑龙江交通科技 2014年5期

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。