装配式宽幅连续梁桥支座受力研究

鄢稳定, 郭风俊, 时元绪, 邓淇元, 邬晓光*

(1. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 2. 山西省高速公路集团有限公司, 山西 太原 030000)

随着社会经济的快速发展,公路网规模不断扩大,车流量及汽车行驶速度也随之增大.为了保证城市交通的安全与畅通,城市道路不断拓宽.装配式宽幅连续梁桥由于预制简单、整体性好、跨径较大、统一运输安装等优点得到广泛的推广运用,在桥梁建设中扮演着越来越重要的角色[1],尤其在城市主干道桥梁设计中,宽跨比大于1的桥梁日益增多[2-3].然而,由于支座受力及布置不当带来桥梁的病害实例屡见不鲜,比如支座脱空、梁体翘曲、梁体侧移、侧倾等.因此,对桥梁支座进行准确的受力分析,并设置合理的支座布置形式是保证装配式宽桥正常运营的重要因素[4-8].

目前梁桥支座研究主要集中于窄桥支座结构分析和支座的疲劳性能研究[9-10],对于宽桥的支座受力及布置研究还比较少.李枝军等[11]研究了宽跨比为1.00的超宽桥的地震反应特点,指出了超宽桥在横向地震作用下支座的反力和剪力较大,且分布严重不均匀,从抗震的角度对支座进行了优化布置;王珊珊等[12]指出超宽桥的地震反应明显大于普通桥,其支座剪力达到普通桥的2～4倍;程建旗等[13]对异形宽幅连续箱梁桥支座反力进行了分析,提出对于支座横向布置不对称的横梁结构,可以通过横梁钢束产生的二次力对支座反力进行重新分配调整,使得支座恒载反力趋于均衡.从现有的研究成果来看,宽跨比为0.75以上的宽桥支座受力分析和优化还存在不足.

本文从宽跨比方面探究了装配式宽幅连续梁桥的支座受力,由于在实际施工中,装配式连续梁桥通常采用多片T梁或多片小箱梁通过湿接缝和横隔板连接而成,且一般为中小跨径,故本文选取具有较强代表性的贵州某工程项目实际的装配式连续T梁和连续箱梁桥设计通用图纸,对于此类桥梁并在此基础上通过改变梁片数增大桥面宽度,进而得到一系列宽跨比,然后采用MIDAS/Civil建立不同宽跨比的装配式连续T梁桥和装配式连续箱梁桥的有限元模型.通过比较分析宽跨比增大时支座的受力及位移,得出支座受力和位移随宽跨比的变化关系,从而提出合理的支座布置方式及建议,并为类似桥梁的支座设计及布置提供参考.

1 工程依托

本文以贵州地区2座装配式宽桥为工程依托展开研究,1座为装配式预应力连续T梁桥,汽车载荷等级为公路-Ⅰ级,桥跨布置为4×20 m,桥面宽度为15 m,共计6片T梁,每片梁宽2.5 m,通过湿接缝和横隔板连接,每跨设置4道横隔板,桥梁上部结构采用C50混凝土,预应力钢束采用抗拉强度标准值为1 860 MPa、公称直径15.20 mm的低松弛高强度钢绞线.另1座为桥跨3×30 m的装配式预应力连续箱梁桥,汽车载荷等级为公路-Ⅰ级,桥面宽度为24 m,共计8片箱梁,每片梁宽3.0 m,每跨设置5道横隔板,上部结构采用C55混凝土,预应力钢束采用抗拉强度标准值为1 860 MPa、公称直径15.20 mm的低松弛高强度钢绞线.2座桥梁均考虑桥梁结构受温度的影响,整体升温按照+22 ℃,整体降温按照-22 ℃,梯度温度正负温差按10 cm厚沥青铺装考虑.支座布置方式均为1#桥墩处采用纵向固定支座,2#主梁处采用横向固定支座,其余均为双向活动支座.装配式连续T梁桥梁端截面如图1所示,装配式连续箱梁桥梁端截面如图2所示.

图1 连续T梁桥梁端截面图(单位:cm)Fig.1 End section of continuous T beam bridge (unit: cm)

图2 连续箱梁桥梁端截面图(单位:cm)Fig.2 End section of continuous box girder bridge(unit: cm)

2 有限元分析模型

为了准确模拟装配式宽幅连续梁桥的空间受力特性, 采用梁格法分别建立装配式连续T梁有限元模型和装配式连续箱梁有限元模型, 支座布置位置与实际相同. 此外,为了更全面地考虑多种载荷所产生的支座效应, 选取1.2×(恒载荷+钢束2次载荷)+1.0×(徐变2次载荷+收缩2次载荷)+1.4×移动载荷+1.05×(整体升温载荷+温度梯度升温载荷)的基本载荷组合.桥梁模型如图3、图4所示.其中连续T梁有限元模型由1 109个节点,948个单元的梁格体系构成; 连续箱梁有限元模型由1 760个节点,1 591个单元的梁格体系构成. 2座桥梁在实际桥梁支座的基础上, 通过计算得到各自的支座刚度, 然后在模型中相应位置处赋予一定刚度的弹性连接模拟支座, 进而算出支座在载荷组合下的准确受力及位移.

图3、图4分别是宽跨比为0.75和0.80的实桥有限元模型,在此基础上通过增加主梁片数,再建立宽跨比为1.00(8片梁)、1.25(10片梁)和1.50(12片梁)的连续T梁桥模型和宽跨比为1.00(10片梁)、1.20(12片梁)和1.40(14片梁)的连续箱梁桥模型,并分别对其进行运行分析.

图3 4跨连续T梁有限元模型Fig.3 Finite element model of four span continuous T beam

图4 3跨连续箱梁有限元模型Fig.4 Finite element model of three span continuous box girder

3 支座受力分析

3.1 支座反力分析

从模型结果数据中提取不同宽跨比下的支座反力进行比较,装配式连续T梁支座反力见表1及图5,装配式连续箱梁支座反力见表2及图6.

由表1及图5可知:对于装配式连续T梁桥,中间墩支座的竖向反力最大,而且越靠近桥台支反力越小,全桥支反力数值呈现凸曲线的特性.另外,宽跨比从0.75增大到1.50,支座竖向反力逐渐增大,但增加幅度相对较小,桥台处反力为300 kN以上,而桥墩处支座反力为600 kN以上,约为桥台的2倍.

图5T梁支座竖反力变化规律

Fig.5VariationofverticalcounterforceofTbeambearing

表1 T梁各墩台处支座竖反力平均值Table 1 Aaverage vertical counterforce of the abutment of T beam

表2 箱梁各墩台处支座竖反力平均值Table 2 Average vertical counterforce of the abutment of box girders

图6箱梁支座竖反力变化规律

Fig.6Variationofverticalcounterforceofboxbeambearing

对于装配式连续箱梁桥,由表2及图6可知:1#桥台和2#桥台处的支座竖反力随宽跨比的变化规律曲线基本重合,1#桥墩和2#桥墩处的支座竖反力变化曲线也基本重合,这也侧面反映出桥梁结构和受力的对称性.随着宽跨比的增大,桥台和桥墩处的支反力数值都出现了较小的上下波动,但总体而言,支座竖反力基本不变.此外,桥台处支座反力稳定在250 kN以上,桥墩处支座反力在500 kN以上,约为桥台处的2倍.

3.2 支座顺桥向位移

连续T梁桥的支座顺桥向位移如表3所示,连续箱梁桥的支座顺桥向位移如表4所示.

表3 T梁各墩台处支座顺桥向位移平均值Table 3 Longitudinal average displacement of supports at each pier of T beam

表4 箱梁各墩台处支座顺桥向位移平均值Table 3 Longitudinal average displacement of supports at each pier of box beam

由表3可以看出,对于装配式连续T梁桥,含纵向固定支座的1#桥墩处,支座顺桥向位移很小,几乎可以忽略不计,并以其为中心,越靠近边墩支座顺桥向位移越大.随着宽跨比从0.75增大到1.50,支座的顺桥向位移变化很小,变化幅度在0.5 mm以内,位移值基本不变.

对于装配式连续箱梁桥,由表4可知,布置纵向固定支座的1#桥墩处支座顺桥向位移很小,但由其到桥端处支座顺桥向位移越来越大.另外,宽跨比由0.80增大到1.40,各墩台处支座的顺桥向位移几乎不变.

3.3 支座横桥向位移

将不同宽跨比下的支座横桥向位移进行比较,装配式连续T梁桥的支座横桥向位移见表5,装配式连续箱梁的支座横桥向位移见表6.

表5 装配式连续T梁桥各主梁处支座横桥向位移平均值

表6 装配式连续箱梁各主梁处支座横桥向位移平均值Table 6 Average lateral displacement of supports at each main girder of assembled continuous box girder

对于连续T梁的支座横桥向位移,由表5可以看出,2#主梁布置的是横桥向固定支座,其位移很小,几乎为零,并以2#主梁为中心,越靠近边梁支座横桥向位移越大,但位移值总体较小.随着宽跨比的增大,支座横桥向位移也在缓慢增大,但增加值较小,且最大位移量仅为5.65 mm,一般活动支座均能满足要求.

从表6可以得出,连续箱梁的支座横桥向位移的变化规律与连续T梁的基本一致,且宽跨比从0.80逐渐增加到1.40时,支座横桥向位移也逐渐增加,但增加幅度较小,最大位移量仅为8.15 mm,一般活动支座也均能满足要求.

4 结 论

(1) 对于跨径一定的装配式连续梁桥,随着宽跨比的增大,各墩台处的支座竖向反力总体保持稳定,数值基本不变,且桥墩处反力约为桥台的2倍.因此,在支座布置时,桥台处应布置承载力较低的支座,而桥墩处支座的承载力可约为桥台的2倍.

(2) 中小跨径的装配式连续T梁桥或连续箱梁桥,当跨径不变,宽跨比逐渐增大时,支座顺桥向位移基本不变,支座横桥向位移逐渐增大,但增加量较小.由此可知,宽跨比的增加对于桥梁支座的纵桥向位移基本没有影响.

(3) 由数据分析可以得出,对于跨径在30 m以下,且宽跨比在1.50以内的装配式连续梁桥,宽跨比的增加对支座的横桥向位移影响较小,一般活动支座都能满足要求,所以在支座选型时可以不考虑.