大跨径连续刚构-连续梁桥梁体纵向缩短及梁端横向偏位研究

吕长荣，钟毅

(山东高速工程检测有限公司，山东济南 250002)

刚构-连续组合梁桥是连续梁桥和连续刚构桥的结合体,通常是在一联连续梁的中部数孔采用墩顶固结的刚构,边部数孔设置支座的连续梁结构。刚构-连续组合梁桥结构受力性能优越，但其通车后会存在跨中下挠、结构裂缝等问题。国内外专家对连续刚构-连续梁桥常见的跨中下挠等问题展开了较多研究[1-4]，但关于梁体纵横向偏位鲜有涉猎。在整体温度效应、汽车荷载等因素作用下，弯桥易出现梁体与支座的偏位问题，而直线桥梁较少出现此类问题[5-10]。

某大跨径连续刚构-连续梁桥，桥跨布置为(65+160+210+160+65)m，上部结构采用连续刚构-连续梁体系，为单箱单室直线箱梁桥，中间两墩与主梁固结，其余墩设双向活动支座。现场检测发现：该桥左右幅梁体两端均有不同程度的缩短，边墩支座纵向最大滑动范围为163～231 mm；其中桥梁右幅高桩号次边墩处外侧盆式橡胶支座螺栓因梁体缩短过大被剪断，边墩两个支座横向偏位分别为30 mm和35 mm。桥梁结构存在安全隐患，有必要对其产生原因进行研究分析，为后期的加固维修提供有针对性的依据。

本文应用桥梁计算软件Midas Civil对该大桥进行仿真模拟分析，模拟桥梁施工悬臂浇筑过程以及后续体系转化后运营过程对桥梁纵向长度的影响，并考虑预应力张拉、长期混凝土收缩徐变及成桥后运营期的温度效应等多因素影响，研究桥梁纵向缩短以及支座横向偏位的原因。

1 桥梁概况

大桥主梁横断面主要截面尺寸见图1(图中长度单位cm)，大桥立面图见图2(图中长度单位m)。主梁采用C55混凝土，弹性模量为35.5 GPa，泊松比为0.2，混凝土密度为2.55×103kg/m3。大桥支座采用GPZ系列，边墩处支座为SX-4000kN，次边墩处支座为SX-30000kN。

由于支座下部钢盆与桥墩固定不动，可通过桥梁支座上座板纵横向滑移量反映梁体的缩短及偏位情况。经现场检测，盆式橡胶支座顶板相对钢盆的位移如图3所示(图中长度单位mm)。

图1 大桥主要横断面截面尺寸

图2 大桥立面图

图3 支座偏位示意图

2 模型计算

2.1 建模

按照杆系有限元原理，对大桥结构进行单位划分。主梁采用二次抛物线变截面梁单元模拟，桥墩采用等截面梁单元模拟。主梁划分为184个单元、185个节点，桥墩划分为20个单元、24个节点。其中，主梁与固结墩之间按照刚性连接考虑。Midas Civil计算模型图如图4所示。

图4 Midas Civil计算模型图

2.2 影响因素

桥梁梁体的位移影响因素主要有温度影响(整体升降温、横向温差)、混凝土收缩、徐变等。

1)整体升降温

整体升降温作用下，桥梁会产生结构变形。整体升降温的起始温度是桥跨结构合龙时结构温度，为15 ℃，极端最高温度为42.5 ℃，极端最低温度为-19.7 ℃，混凝土线膨胀系数取10-5/℃。

2)收缩、徐变

采用桥梁计算软件Midas Civil对大桥施工过程和后期运营过程进行仿真模拟分析，根据竣工资料中每个施工节段的龄期以及后期的运营时间考虑收缩、徐变作用，计算各施工阶段和正常运营期间的结构应力、变形。参照文献[11-13]中的规定，按照桥梁实际运营18 a计算混凝土收缩、徐变。

3)横向温差

利用Midas Civil计算横向温差作用下梁体的横向变形时，采用以下假定[14-17]：沿梁体长度方向温度分布是均匀的；混凝土是匀质弹性材料，服从虎克定律；梁的变形服从平截面假定。

如图5所示，t(x)为沿梁横截面宽度方向的温度梯度分布，h(x)为梁横截面高度，b为梁横截面宽度，xc为横截面重心轴半径，ε0为梁截面在基轴x=0处的应变,Ψ是截面变形曲率。图5c)中1为基轴，2为重心轴；图5d)中阴影部分为梁截面自由变形与最终变形之差，即由纤维之间的约束产生的自应力应变。[18-20]

图5 温度梯度计算模式示意图

沿梁宽度方向的自由变形εt(x)(纵向纤维之间不受约束时)与温度梯度一致[18]，即

εt(x)=αt(x)

，

(1)

式中：α为材料线膨胀系数。

由于纵向纤维之间的相互约束，梁截面应变符合平截面假定，如图5b)所示梁横截面最终变形εf(x)应为直线分布，即

εf(x)=ε0+Ψ(x)

。

(2)

图5d)所示阴影部分为梁截面自由变形与最终变形之差εe(x)，由纤维之间的约束产生，即

εe(x)=εt(x)-εf(x)

,

(3)

将式(1)(2)代入式(3)中得：

εe(x)=αt(x)-(ε0+Ψ(x))

。

(4)

图5d)所示阴影部分的应力

σs(x)=Eεe(x)=E[αt(x)-(ε0+Ψ(x))]

。

(5)

由于单位梁上无外荷载作用，因此温度自应力在横截面上是自平衡状态的应力，故截面上应力总和为0、对截面重心轴的力矩为0，即：

(6)

(7)

将式(4)代入式(6)(7)中可得：

(8)

(9)

将式(8)(9)代入式(2)，即得梁截面最终变形εf(x)。

文献[12]规定，对于宽幅无悬臂箱梁宜考虑横向温度作用。本桥虽有翼缘部分，但箱梁底板宽度较大，在日照作用下箱梁两侧腹板可能会形成温差，产生横向非对称形变。根据文献[12]，混凝土箱梁左侧腹板取T1=4.0 ℃，右侧腹板取T2=-2.75 ℃，其余部分按线性内插方法考虑，计算大桥在横向温差下变形规律。

3 计算结果分析

3.1 纵向位移

各因素作用下梁体在边墩支座处纵向(指梁体长度方向)计算位移如表1所示；梁体分别在混凝土收缩、徐变和温度效应组合作用下，次边墩及边墩支座处的计算位移如表2所示。

表1 各因素作用下梁体在边墩支座处纵向位移 mm

表2 各影响因素作用下梁体在支座处纵向计算位移 mm

由表1可知：混凝土中张拉预应力和恒载产生的变形量基本接近，且方向相反，二者组合作用下梁体产生的纵向位移很小，2种因素的组合作用可以忽略不计。前期未关注桥梁长度变化，也缺少梁体的初始长度，目前不能准确得出梁体纵向位移，只能通过梁端伸缩缝间隙变化或边墩支座上座板滑移大致反映梁体伸缩变化(支座下部钢盆与桥墩固定不动)。在整体升降温作用下，梁体在支座处的理论计算位移，即支座上座板位移分别为-111.5 mm和88.2 mm，这与实际检测中南侧梁端冬季伸缩缝间隙比夏季增大188 mm基本吻合。混凝土收缩、徐变为混凝土在荷载长期作用下产生的变形，为该梁体产生纵向位移的原因。

由表2可知，在混凝土长期收缩、徐变作用下，梁体在边墩支座处的纵向位移为-108.1 mm，再加上整体降温组合作用，梁体在边墩支座处的纵向位移为-219.6 mm，在现场实际检测中边墩支座最大位移为231 mm，二者非常相接近；在混凝土长期收缩、徐变和整体升温组合作用下，梁体在边墩支座处的纵向缩短位移为19.9 mm，由此进一步表明，混凝土收缩、徐变是梁体纵向位移的主要原因。

3.2 横向位移

考虑横向温差作用时，梁体在边墩支座处产生的横向(梁体宽度方向)计算位移为16.5 mm。实际检测中，梁端在支座处的横向位移为30～35 mm。随着季节性横向温差的反复，实际中还存在桥台挤压作用，梁体在端部实际横向位移会比理论计算位移大。

3.3 结果分析

考虑长期混凝土收缩、徐变因素时，无论是整体升降温作用还是其他因素组合作用下，梁体只会产生缩短现象，进一步表明混凝土收缩、徐变是梁体纵向缩短的主要原因。另外，梁体纵向缩短使得边墩及次边墩的支座上座板向跨中偏移量过大，支座的双向活动受影响，对目前的支座位置需要修正，在不改变支座型号的情况下，在纵向将支座适当向跨中方向布置。

在温度因素作用下，直线桥梁梁体也会在支座处发生偏位。为保证该桥的结构安全，无论是否更换桥梁支座，都应在桥梁支座处安装合适刚度的限位及复位装置，防止出现横向偏位。

4 结论

1)综合考虑整体升降温、混凝土收缩、徐变作用效应下，连续刚构-连续梁体在支座纵向计算位移与现场实测位移吻合较好，表明混凝土收缩、徐变是引起梁体纵向缩短的主要原因。

2)考虑横向温差作用时，梁端理论计算横向位移与现场实测支座横向位移基本相同，表明横向温差效应是梁端发生横向位移的主要原因。

3)反复的横向温差可使梁端横向位移过大，导致梁端支座卡死，对桥梁结构受力极为不利。建议对支座安装合适刚度的限位及复位装置，使支座保持正常工作状态。

4)桥梁支座不仅要符合受力要求，还应兼顾支座容许滑动位移要求，保证结构受力安全。针对梁体纵向缩短现象，建议调整支座位置，使其在允许范围内滑动。

5)针对目前该桥梁体出现的纵向缩短、梁端水平横向偏位变形等问题，建议在箱梁、墩台设置永久观测点，测量桥梁长期变形，寻找变形规律，更准确地分析原因。

6)建议在桥梁关键部位安装若干温度传感器和位移计，实时监测关键截面温度场变化和位移情况，以实测温度计算梁体变形位移情况，与现场实测位移相互校核，关注桥梁结构体有无异常变化，以保障桥梁后期安全、健康运营。