小半徑曲線箱梁獨(dú)柱墩匝道橋有限元分析

小半徑曲線箱梁獨(dú)柱墩匝道橋有限元分析

高速重車的高流量和頻率加載對(duì)小半徑曲線的結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。與線性橋相比，曲線橋的承受更復(fù)雜。在調(diào)查現(xiàn)有曲線橋時(shí)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)曲線橋存在不同程度的損傷，如內(nèi)部支架的空虛、位移、崩塌、梁體破裂、旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)。當(dāng)曲線橋的半徑R<100m時(shí)，就被稱為小半徑曲線橋，與大半徑曲線橋相比，在跨徑相同的情況下，因?yàn)榍拾霃叫?，小半徑曲線橋的“彎扭耦合”作用更加明顯，對(duì)抗扭性能的要求也更高。在曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其下部墩柱往往采用獨(dú)柱支承方式，且獨(dú)柱墩頂單支座大多采用徑向預(yù)偏心方法，從而降低結(jié)構(gòu)的扭矩峰值，達(dá)到合理設(shè)計(jì)的目的，為了了解小半徑曲線橋在實(shí)際車輛荷載作用下的工作情況，以安徽省銅陵市某城市立交橋的小半徑曲線橋?yàn)橐劳泄こ?，?duì)小半徑曲線獨(dú)柱墩橋的抗扭性能進(jìn)行荷載試驗(yàn)，得到了一些研究成果。1下部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)銅陵市某互通立交A匝道橋（圖1）跨徑布置為3×（3×20)m，全長(zhǎng)183.44m。平曲線采用R=50.0m的小半徑圓曲線。上部結(jié)構(gòu)采用梁高1.4m的等高度斜腹板（加圓倒角）鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用扁柱式墩，墩頂弧形加寬，長(zhǎng)邊中間刻凹槽，中墩支座采用盆式支座徑向預(yù)偏心e=25cm。中、邊墩臺(tái)斷面見(jiàn)圖2。在伸縮縫處采用雙柱式墩，墩頂用系梁連接，橋臺(tái)為輕型埋置式橋臺(tái)，樁基礎(chǔ)。橋梁全寬8.5m。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：城-A級(jí)。2有限元模型分析考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選擇該橋橋墩墩身最高的第一聯(lián)進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，該聯(lián)為3×20m，由于該橋?yàn)榍€橋，為對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬分析，分別采用目前較為廣泛使用的有限元計(jì)算軟件Midas/Civil和Midas/Fea分別建立空間梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元進(jìn)行計(jì)算分析，其中梁?jiǎn)卧Ｐ凸?5個(gè)節(jié)點(diǎn)，74個(gè)單元，實(shí)體單元模型共5323個(gè)節(jié)點(diǎn)，16002個(gè)單元。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗扭及彎扭耦合性能，設(shè)定的加載工況見(jiàn)圖3。不同預(yù)偏載作用下控制截面A2#墩內(nèi)外側(cè)側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，各工況作用下反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，各種工況作用下，大部分支座反力小于自重作用的支座反力，但個(gè)別支座在工況2、3作用下的反力較大，甚至大于恒載作用下的支座反力，因此所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)還是比較大。從表1可以看出，內(nèi)偏載作用下，中墩內(nèi)外側(cè)側(cè)向位移預(yù)偏載為25cm時(shí)為最小值；外偏載作用時(shí)，中墩內(nèi)外側(cè)側(cè)向位移預(yù)偏載為35cm時(shí)為最小值。3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)變分析在控制截面處布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和撓度測(cè)點(diǎn)是荷載試驗(yàn)的主要測(cè)試內(nèi)容。根據(jù)該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，此次試驗(yàn)主要測(cè)試箱梁的抗扭和抗彎性能，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)主要采用對(duì)稱布置。為了準(zhǔn)確測(cè)試控制斷面的各點(diǎn)位移，同時(shí)在獨(dú)柱墩斷面內(nèi)外側(cè)底部布置了豎向、側(cè)向位移計(jì)對(duì)墩頂處箱梁的豎向和側(cè)向位移進(jìn)行測(cè)試（圖5）。4外側(cè)應(yīng)變、內(nèi)跨荷載作用各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、位移測(cè)點(diǎn)在各工況作用下的測(cè)試值和理論值見(jiàn)圖6、7及表2、3。從應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果來(lái)看，各工況下應(yīng)變測(cè)點(diǎn)值絕大部分小于理論值，與理論值增長(zhǎng)相關(guān)性較好。且在內(nèi)偏載作用下邊跨箱梁偏載（工況2）內(nèi)側(cè)與外側(cè)應(yīng)變之比（1.77）比中跨箱梁（工況4）內(nèi)側(cè)與外側(cè)應(yīng)變之比（1.71）大；在外偏載作用下邊跨箱梁（工況3）內(nèi)側(cè)與外側(cè)應(yīng)變之比（0.67）比中跨箱梁（工況4）內(nèi)側(cè)與外側(cè)應(yīng)變之比（0.63）大。說(shuō)明同樣的荷載在同樣跨徑的曲線梁上，邊跨扭矩效應(yīng)比中跨大。扭轉(zhuǎn)荷載（工況1）作用下，應(yīng)變值較小。從位移試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在內(nèi)偏載作用下邊跨箱梁（工況2）內(nèi)側(cè)與外側(cè)位移之和（0.36mm）大于中跨箱梁（工況4）的內(nèi)外側(cè)位移之和（0.32mm）；在內(nèi)偏載作用下邊跨箱梁（工況3）內(nèi)側(cè)與外側(cè)位移之和（0.22mm）大于中跨箱梁（工況5）的內(nèi)外側(cè)位移之和（0.18mm）。說(shuō)明同樣的荷載在同樣跨徑的曲線梁上，邊跨扭矩效應(yīng)比中跨大。扭轉(zhuǎn)荷載（工況1）作用下，位移之和較小。從側(cè)向位移試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，內(nèi)偏載的側(cè)向位移均大于外偏載的側(cè)向位移；邊跨偏載作用下的側(cè)向位移均大于中跨偏載作用下的側(cè)向位移；扭轉(zhuǎn)荷載產(chǎn)生的側(cè)向位移最小。5外偏載作用時(shí)內(nèi)外側(cè)位移預(yù)偏載較好(1）從支座反力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在邊跨內(nèi)外偏載作用下，邊跨過(guò)渡墩支座反力較大，最大值超過(guò)自重作用下的支座反力，說(shuō)明車輛荷載在邊跨偏載作用下，產(chǎn)生的扭矩較大。(2）內(nèi)偏載作用下，中墩內(nèi)外側(cè)側(cè)向位移預(yù)偏載為25cm時(shí)為最小值；外偏載作用時(shí)，中墩內(nèi)外側(cè)側(cè)向位移預(yù)偏載為35cm時(shí)為最小值，設(shè)計(jì)預(yù)偏載對(duì)內(nèi)偏載較為有利。(3）從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，邊跨無(wú)論在內(nèi)偏載還是外偏載作用下實(shí)測(cè)內(nèi)外側(cè)應(yīng)變比和內(nèi)外側(cè)位移之和均大于中跨。(4）從內(nèi)偏載和外偏載的內(nèi)外側(cè)位移之和來(lái)看，內(nèi)偏載均大于外偏載，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的主要控制扭矩在內(nèi)偏載，從測(cè)試值均小于理論值看，結(jié)構(gòu)抗扭性能較好。