强迫位移法在连续钢—混凝土组合曲线箱梁桥的适应性研究

刘 晟

(长沙理工大学建筑与土木工程学院，湖南 长沙 410114)

0 引言

随着交通量的日益增加、城市出行压力增大、繁忙路口拥堵不堪，为缓解交通压力并有效分流，修建立交桥是一个有效的解决方法。受跨越路线的需要以及建造场地的制约，立交桥一般具有曲率半径小、跨越要求高、连续多跨的特点。另外，随着社会的进步，除了满足交通线上跨越障碍物的功能要求外，人们还对桥梁结构美观性的要求越来越高。钢—混凝土组合箱梁能很好地发挥混凝土的抗压性能和钢材的抗拉、抗剪性能，具有自重轻、截面轻巧美观、跨越能力大的优点。因而连续钢－混凝土组合曲线箱梁桥在城市立交的设计中越来越多地受到设计师们的青睐［1－3］。

但是在外荷载作用下，连续钢－混组合梁桥负弯矩区的混凝土桥面板处于受拉，而钢梁处于受压的不利受力状态。在各种荷载的组合以及其它因素作用下，负弯矩区的混凝土板往往会因拉应力过大而开裂［4－6］，从而导致整个结构的刚度降低，承载能力下降，进而影响到结构的安全性、使用性以及耐久性。因此，在钢－混组合桥梁的设计过程中，会使用一些方法对负弯矩区的混凝土板施加预压应力，使得桥梁在成桥状态下，具备一定的压应力储备，以防止桥梁在正常使用状态下出现混凝土板开裂的现象［7－9］。

在直线钢—混组合梁桥中常见的强迫位移法［10］是在安装架设钢梁完成之后，将中支点所有支座预抬相同位移，接着浇筑混凝土板，待其达到设计强度后，再将中支点下降到成桥的标高，这样会在全桥范围的混凝土板内产生预压应力。该方法在直线钢—混组合梁桥中已取得了较多的工程实践经验［7，11－15］。

但对于钢—混组合曲线箱梁桥，尤其是小半径此类桥梁，由于曲率半径的影响以及可能出现的扭转现象，使得这种方法的适用性可能与直桥有所不同。本文中笔者对强迫位移法用于钢—混组合曲线箱梁桥进行了分析，研究了此方法所产生的预压效应随曲率半径的变化趋势以及在这种方法作用下结构的受力性能随曲率半径的变化趋势，分析结果并总结规律，为钢－混组合曲线箱梁桥负弯矩区预压应力施加方案的设计提供参考。

1 工程概况

本文以某三跨连续钢—混组合曲线箱梁桥为工程背景，跨径为25 m。该桥采用单箱双室的箱形截面，如图1所示，梁高 1.6 m，顶板宽 9.3 m，底缘宽5.3 m。钢梁的横断面为开口箱梁，钢梁腹板厚16 mm，翼板厚16 mm，宽600 mm，翼板顶面设置剪力钉;箱梁底缘厚24 mm，根据结构受力需要，箱梁腹板、底缘钢板设置纵横向加劲肋。桥面板采用C50 钢筋混凝土结构，板厚25 cm，横坡设置为2%，桥面板内布置纵横向受力钢筋。混凝土桥面板通过剪力钉与钢梁形成整体共同受力。

图1 钢混组合箱梁横截面(单位:mm)

2 有限元模型

2.1 简化及假定

影响结构性能的因素很多，为简化计算模型，节约计算时间和存储空间，并着重关注对结构性能影响较大的因素，因此在尽可能减小对结构影响的前提下进行了部分的简化和假设，如下所述:①忽略了结构纵坡的影响;②偏保守地未考虑加劲肋的有利作用;③不考虑钢梁与混凝土板之间的滑移，认为剪力连接键可靠有效;④未考虑混凝土板收缩徐变对预压效果和结构受力性能的影响。

2.2 模型介绍

采用ANSYS 程序建立有限元模型，如图2a 和图2b 所示，其中钢梁为shell63 的三维4 节点板单元，混凝土为solid185 的三维8 节点块单元。

图2 结构有限元模型

边界条件:A1、A2 和A4 桥墩处的外侧支座采用双向支座，即只约束竖向的位移，内侧支座采用单向支座，即约束径向和竖向位移;A3 桥墩处的外侧支座采用单向支座，即约束切向和竖向位移，内侧支座采用固定支座，即约束切向、径向和竖向的位移。在钢梁与混凝土交界处单元共用节点。

3 计算结果

在保持桥梁宽度及横坡不变的条件下，本文研究了采用强迫位移法时(即在ANSYS 计算模型中，对A2 和A3 桥墩处的内、外侧支座均施加10 cm 预抬升)，曲率半径分别为 R =200 m、R =150 m、R =125 m、R=100 m、R=75 m、R =65 m、R =55 m、R =45 m、R=35 m、R =25 m 的钢—混组合曲线箱梁桥所产生的预压效果以及在此方法作用下结构受力性能随曲率半径的变化趋势。限于篇幅，仅给出1/2结构的计算结果。

3.1 支座反力计算结果

图3给出了支座反力随曲率半径的变化曲线。

从图3a 和图3b 中可见，A1 桥墩处内侧支座在支座回落前、后都受压，支座回落前的内侧支座竖向反力值随着曲率半径的增大而增大，支座回落后的支座竖向反力值随着曲率半径的增大而减小，回落前的支座反力小于回落后。回落前后的反力差值较大，并且随着曲率半径的增大而减小。半径为25 m 时最大，达到1 910 kN。A1 桥墩处外侧支座在支落回落前、后都受压，支座回落前的外侧支座竖向反力值随着曲率半径的增大而减小，支座回落后的竖向反力值随着曲率半径的增大而增大。回落前后的反力差值随曲率半径的增大而减小，半径为25 m 时最大，达到 1 360 kN;半径为 200 m 时，支反力差值接近于0。

从图3c 和图3d 中可见，在支座回落前，A2 桥墩处的内侧支座在各种曲率半径下都受压。但在支座回落后，当曲率半径R≤55 m 时，内侧支座出现了受拉的情况，当曲率半径＞55 m 时，内侧支座受压。内侧支座回落前后的反力差值较大，并随着曲率半径的增大而减小，当曲率半径为25 m 时最大，反力差值达到4 670 kN。A2 桥墩处的外侧支座在支座回落前、后都受压，支座回落前竖向反力值随着曲率半径的改变，其值变化不大;支座回落后，竖向反力值随曲率半径的增大而减小。回落前后的反力差值也较大，并随着曲率半径的增大而减小，当半径为25 m 时最大，达到4 100 kN。

从支点回落前、后支座反力的差值可以看出，对中墩处内、外侧支座施加相同的强迫位移会使得结构内、外侧支座不均。

图3 支座竖向反力随曲率半径变化曲线

3.2 应力计算结果

图4和图5分别给出了墩顶混凝土板顶缘预加正应力和钢梁von Mises 应力随曲率半径变化的趋势曲线。其中支座回落前、后钢梁底缘的von Mises应力有一定的变化，但变化不大，如支座回落前钢梁底缘的von Mises 应力的最大值为153 MPa(出现在曲率半径等于25 m 时)。因而后续的钢梁截面应力仅给出了支点回落后的计算结果，旨在反映成桥状态下，钢梁截面应力随曲率半径的变化规律。

图4 A2 墩顶混凝土板顶缘预加正应力随曲率半径变化曲线

从图4中可以看出，A2 墩顶混凝土板顶缘内腹板处的预加正应力随着曲率半径的增大而减小，而外腹板处的预加正应力随着曲率半径的增大而增大，中腹板处的预加正应力值随着半径的改变其值变化不大，并且随着曲率半径的增大，三者的大小趋于一致。

通过对相同曲率半径的内、外腹板处混凝土的预加正应力进行对比分析可以发现，当曲率半径较小(小于等于55 m)时，内、外腹板处混凝土的预加正应力值的大小差异较大，且随着曲率半径的减小，这种差别更为明显。当曲率半径为25 m 时，内腹板处混凝土的预加正应力值达到4.4 MPa，而外腹板处仅为 0.5 MPa。

对于小半径钢—混曲线箱梁桥而言，对中墩处内、外侧支座施加相同的强迫位移会对混凝土板产生内、外侧不一样的预加效果。因此当曲率半径较小时，外侧混凝土板难以达到理想的预压效果。

图5 回落后，钢梁截面von Mises 应力随曲率半径变化曲线

从图5a 和图5b 中可见，A2 桥墩处钢梁底缘von Mises 应力随着曲率半径的增大而减小。A2 桥墩处钢梁顶缘内腹板和中腹板的von Mises 应力随着曲率半径的增大而减小，而外腹板的von Mises 应力随着曲率半径的增大而略微增大，并且曲率半径大于150 m 时，内、外腹板的von Mises 应力较为接近。曲率半径对内腹板的应力影响较大(R 小于55 m 的范围内)，而外腹板及中腹板的应力对曲率半径的变化不甚敏感。

从图5c 和图5d 可见，边跨跨中钢梁外腹板处顶、底缘的von Mises 应力都随着曲率半径的增大而减小，内腹板处顶、底缘的von Mises 应力都随着曲率半径的增大而增大，中腹板的von Mises 应力变化不大，随着曲率半径的增大，3 个位置的von Mises应力值将趋于一致。

从以上结构性能指标随曲率半径的变化趋势来看，当曲率半径小于55 m 时，结构性能指标随曲率半径变化曲线的斜率较大，说明在此范围内曲率半径对结构性能的影响较大。当曲率半径大于55 m时，曲线的斜率趋于平缓，曲率半径对结构性能的影响较小。

若对同一中桥墩处内、外侧支座施加不同的强迫位移时，可以使支座不均匀受力的现象得到改善，但同时会使负弯矩区混凝土板的预压效果减弱。具体的分析将在另文中讨论。

4 建议与结论

本文针对钢—混组合曲线箱梁桥，研究了对中墩处内、外侧支座施加相同的强迫位移时所产生的预压效应随曲率半径的变化趋势以及在此作用下结构的受力性能随曲率半径的变化趋势，得出以下结论及建议:

1)当曲率半径较小时，对中墩处内、外侧支座施加相同的强迫位移会使内、外侧混凝土板所产生的预加效果差异较大，并且随着曲率半径的减小，这种差别越为明显。因而对于小半径钢－混凝土曲线箱梁桥而言，如此施加强迫位移难以使负弯矩区外侧混凝土板达到理想的预压效果。

2)对于小半径钢－混组合曲线箱梁桥，对中墩处内、外侧支座施加相同的强迫位移会使结构出现内侧支座卸载，外侧支座加载的情况，从而造成内、外侧支座受力严重不均匀。

3)对中墩处内、外侧支座施加相同的强迫位移会使结构产生较明显的扭转，导致内、外侧钢梁、混凝土板应力及内、外支座反力差异较大，因此在小半径的钢—混组合结构曲线箱梁桥中需谨慎使用。

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