匝道弯桥线型优美、适应性强,广泛应用于城市道路交通建设中。然而,较小的曲率半径也容易引发一些病害事故,例如支座脱空、梁体侧移、预应力筋崩出、甚至梁体倾覆等。为分析匝道弯桥的受力性能,同时找出这些问题产生的主要原因以及作用规律,本文以某实际匝道弯桥作为工程背景,通过建立有限元建模,并施加多种荷载工况进行计算分析,探讨了不同曲率半径和跨径对匝道弯桥基本力学性能的影响。福建省交通运输科技项目(20130406

曾勇文

梅子飞

裘是

Simplified Chinese

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总第164期Abstract: With beautiful line type and strong adaptability，ramp curved bridges have been widely used in the construction ofurban road traffic. However，the small curvature radius may easily cause some damage accidents，such as the bearing separation，thelateral displacement of bridges，the outburst of prestressed steel reinforcing bar，the overturning of bridges，etc. To analyze the me-chanical behavior of ramp bridge and find out the main factors and the action rules，multiple finite element modellings of a real rampbridge with diversified combination of loading are established. Through reliable calculations，this paper mainly discusses the influ-ence of ramp curved bridge under the condition of different radius of curvature and spanon basic mechanics’performance.Key words: ramp bridge，diversified combination of loading；radius of curvature，span文章编号：1005 - 0574 -（2018）02 - 0001 - 04 DOI:10.19332/j. cnki. 1005 - 0574.2018.02.001匝道弯桥在运营状态下的力学性能分析曾勇文1，裘 是1，梅子飞2（1.厦门大学建筑与土木工程学院土木工程系，福建 厦门 361005；2.南京军区第九房地产管理分局）摘 要：匝道弯桥线型优美、适应性强，广泛应用于城市道路交通建设中。然而，较小的曲率半径也容易引发一些病害事故，例如支座脱空、梁体侧移、预应力筋崩出、甚至梁体倾覆等。为分析匝道弯桥的受力性能，同时找出这些问题产生的主要原因以及作用规律，本文以某实际匝道弯桥作为工程背景，通过建立有限元建模，并施加多种荷载工况进行计算分析，探讨了不同曲率半径和跨径对匝道弯桥基本力学性能的影响。关键词：匝道弯桥；多种荷载工况；曲率半径；跨径中图分类号：U448.17 文献标识码：A基金项目：福建省交通运输科技项目（20130406）作者简介：曾勇文（1992-），男，广东人，硕士研究生，研究方向：防灾减灾工程与防护工程1 引言曲线梁桥具有线型优美、道路适应性好、跨越能力强等优势，现已作为一种主要桥型被广泛应用。但曲线梁桥由于曲率的影响，会产生区别于直线梁桥的受力特点，具体表现在弯扭耦合效应、离心力作用、支座受力不均等[1]。其中曲线箱梁桥主梁的弯曲程度是影响曲线箱梁桥受力特性的最重要因素[2]。曲线梁桥由于弯扭耦合，其变形是两者的迭加，外边缘挠度大于内边缘，且曲率半径越小越严重。曲线梁桥无论荷载偏心与否都会存在弯扭耦合，扭矩的作用会使桥内外侧应力有显著差别 [3]。匝道弯桥作为匝道与主线或被交路相交而设的桥梁，往往是一条空间曲线，通常都是弯、斜、坡桥。考虑到曲线梁桥的弯扭耦合特性，匝道桥上部结构一般采用箱型截面。同时，匝道弯桥虽然属于曲线梁桥，但它的特点也更加鲜明[4]，具体表现有：①桥宽较窄：匝道桥的宽度一般为6 m~11 m，且往往是单车道或者双车道。②曲线半径小：由于匝道是用来实现道路的转向功能，在立交中往往受到占地面积的局限，所以匝道桥多为小半径曲线梁桥，最小半径可达30 m。③匝道弯桥往往设置较大的纵坡[5]。由于这些特性的存在，小半径匝道弯桥是弯梁桥中受力最为复杂的结构类型，计算分析更加复杂，也容易产生较多的事故与病害[6]。2 工程概况及有限元模型某市一互通立交桥，共拥有WN、NW、ES、SE、NE、EN、SW七条匝道，除NE匝道第17 孔到第29 孔为钢筋混凝土结构外，其余匝道均为预应力钢筋混凝土结构。箱梁截面基本为单箱单室箱形截面，梁高为1.8 m。箱梁为预应力体系，纵向预应力筋为同时存在水平曲率以及垂直曲率的空间曲线，内外腹板各设置了 3条内蒙古公路与运输Highways＆Transportation in inner Mongolia 1内蒙古公路与运输Highways＆Transportation in inner Mongolia 2018 年第 2 期15Φs15.20 的预应力钢束，控制张拉应力1116MPa；顶板左右各设置了4 条9Φs15.20 预应力钢束，底板左右各设置了两条9Φs15.20 预应力钢束，控制张拉应力均为1395MPa。桥梁设计荷载为公路Ⅰ级，单向单车道匝道的车行道宽度为7m，单向双车道匝道的车行道宽度为8 m，设计速度为140km/h。箱梁混凝土标号为C50，桥墩混凝土标号为C40，支座采用双曲面球型减震支座。本文预应力混凝土采用分离式建模方法。首先采用solid65 单元建立模型主体，划分单元，然后按照图纸要求确定预应力筋束的位置，采用杆单元连接混凝土单元经过网格划分后产生的节点。在现实中，预应力筋是弯曲有弧度的，而在有限元软件中，采用“以直代曲”的方法进行近似分析。对于本工程中使用的双向活动支座，选用弹簧单元来模拟其水平刚度，依据彭天波等人[7]试验所得数据，取刚度为2000kN/m。匝道弯桥在实际运营过程中，受到的荷载主要有桥梁自重、预应力作用、温度作用、汽车作用（包括车辆离心力）等，以上荷载均按照路桥设计规范[8]中的规定施加。图1 武汉红庙立交匝道弯桥图2 重庆黄桷湾立交匝道弯桥图3 箱梁截面图图4 支座布置图图5 箱梁整体有限元模型图6 预应力筋有限元模型2总第164期3 曲率半径对匝道弯桥性能的影响现从EN、WN、NW三条不同曲率半径的匝道中，分别选取跨径和箱梁截面形式相同的一联进行对比，探讨曲率半径对匝道弯桥性能的影响。选取图4 中的E、B、F、C、G 作为关键截面，其中B、C为支座截面，E、F、G为跨中截面。从图7和图8中可以看出，由于存在预应力作用，3条匝道全桥均受压应力，使得桥面板全部受压，且在顺桥向的方向上，顶板以及底板的压应力随着曲率半径的增大而增大，在每联中间处增大的最多。表1不同曲率半径的匝道匝道名称EN匝道WN匝道NW匝道位置第二联（第4孔到第6孔）第五联（第10 孔到第12 孔）第一联（第1孔到第3孔）跨径/m35+35+3535+35+3535+35+35曲率半径/m285400450图7 顺桥向顶板最大应力图8 顺桥向底板最大应力图9 跨中截面内侧竖向挠度图10 跨中截面外侧竖向挠度从图9和图10 中可以看出，由于存在预应力作用，在匝道跨中位置会产生向上的挠度，且内侧挠度大于外侧挠度。边跨跨中挠度随着曲率半径的增大而增大，中跨跨中挠度随着曲率半径的增大而减小。从图11 中可以看出，由于曲率半径的存在，车辆驶过会对匝道产生离心力的作用。随着曲率半径的增大，匝道径向位移逐步减小，且离固定支座C 越远，径图11 支座截面径向位移曾勇文等：匝道弯桥在运营状态下的力学性能分析 3内蒙古公路与运输Highways＆Transportation in inner Mongolia 2018 年第 2 期图12 最不利条件下内外侧支座反力比值表2不同跨径的匝道匝道名称WN匝道WN匝道位置第六联（第13 孔到第15 孔）第五联（第10 孔到第12 孔）跨径/m30+30+3035+35+35曲率半径/m400400选取图4 中的E、B、F、C、G作为关键截面，其中B、C为支座截面，E、F、G为跨中截面。向位移越大。从图12 中可以看出，对每条弯匝道而言，边支座的内外侧支座反力比值均小于中间支座，更不安全。而不同匝道间，随着曲率半径的增大，比值也不断增大，也越来越安全。4 跨径对匝道弯桥性能的影响现从曲率半径为400m 的WN 匝道中选取两联进行对比，探讨跨径对匝道弯桥性能的影响。图13 顺桥向顶板最大应力图14 顺桥向底板最大应力从图13 和图14 中可以看出，随着跨径的增大，匝道各截面所受到的压应力均减小。图15 跨中截面内侧竖向挠度图16 跨中截面外侧竖向挠度图17 最不利条件下内外侧支座反力比值（下转第19页）4总第164期综上所述，根据施工工序仿真模拟主拱圈吊装、拱上立柱及盖梁浇筑、空心板主梁架设以及二期铺装过程实际结构的受力特性，本桥各施工阶段控制截面高程接近理论计算值，截面应力在理论计算安全范围内，由于主梁架设前期垫石高程控制准确，因此空心板高程与目标高程绝对误差控制效果较好，最大相差2.5cm。5 结语大跨径钢筋混凝土箱型拱桥的拱肋缆索吊装是一个十分复杂的过程，由于传统的解析法分析需要简化模型，简化方式通常与实际情况不甚相符，计算结果不准确。本文通过大型有限元软件Midas/civil建模，对某大跨径钢筋混凝土箱型拱桥建立有限元分析模型，经过全过程正装分析和多阶段仿真模拟分析可知，桥梁结构线形和受力与目标状态基本吻合。主拱圈受力安全，应力储备足够，将施工误差控制到了理想效果。由于有限元仿真模型的建立、荷载模式的选择和边界条件的模拟以及物理参数的获取均符合实际桥梁情况，仿真分析结果与实测吻合较好，不仅达到理想设计成桥状态，而且可有效减少误差，解决了施工难题的同时，也为同类型桥梁的仿真分析积累了宝贵经验。参考文献：［1］贺拴海.桥梁结构理论与计算方法[M] .北京：人民交通出版社，2003.［2］向中富.桥梁施工控制技术. 北京:人民交通出版社，2001.［3］徐君兰.大跨径桥梁施工控制[ M] .北京:人民交通出版社，2002.［4］顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制[M] . 北京：机械工业出版社.2005.［5］王勃.大跨径拱桥缆索吊装施工系统仿真分析[D].西安：长安大学，2012.［6］刘兴臣.大跨度箱形拱桥缆索吊装施工过程监控[D].成都：西南交通大学，2008.［7］陈淑红.缆索吊装钢筋混凝土拱桥的施工技术研究[D].成都：重庆交通大学，2011.［8］杨浩.基于数值仿真的拱桥施工控制技术[J].四川水泥，2016，（07）：56.［9］严小丽，冯霄暘 .钢筋混凝土箱型拱桥缆索吊装施工仿真分析[J].四川建材，2016，42(4):194 - 197.[10] 邓江明.缆索吊装扣塔偏位对拱肋高程影响的几何分析[J]. 重庆交通大学学报：自然科学版，2009:28（3）：505 - 508收稿日期：2017 - 04 - 15（上接第4页）从图15 和图16 中可以看出，随着跨径的增大，跨中截面向上的挠度变小。从图17 中可以看出，在最不利条件下，随着跨径的增大，中间支座B、C的内外侧反力比值增大，但边支座A、B的内外侧反力比值减小。5 结语本文通过对某立交工程中的几条匝道弯桥进行有限元建模分析，依次探究了不同曲率半径和不同跨径下，匝道弯桥的性能差异及其变化规律，进而得到以下几点结论：①预应力的作用，会使得匝道弯桥跨中截面出现上拱，同时可能对梁体产生一个向外翻转的作用，造成内侧支座的支座反力减小，外侧支座的支座反力增大，使梁体向弧内侧发生一定程度的径向位移。②在多种荷载工况组合下，相同跨径的匝道随着曲率半径的增大，其顶板以及底板的顺桥向压应力、边跨跨中挠度以及内外侧支座反力的比值逐渐增大，而中跨跨中挠度、径向位移逐渐减小。③相同曲率半径的匝道随着跨径的增大，其各截面所受到的顺桥向压应力、跨中截面向上的挠度以及最不利条件下边支座的内外侧反力比值逐渐减小，最不利条件下中间支座的内外侧反力比值逐渐增大。参考文献[1] 刘柏青，张士铎. 曲线梁桥[J]. 中南公路工程，1989，11（1）:35 - 37.[2] 林泉. 预应力混凝土弯桥的空间受力特性分析研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.[3] 陈守逸，蔡荣兴.创业立交匝道桥缺陷分析与处理[J].公路交通技术，2002，（02）:57 - 59.[4] 陈宝春，陈友杰. 桥梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2013.[5] 万莉.匝道桥的计算方法及设计要点[J].现代交通技术，2009，（04）:47 - 50.[6] 徐洪涛，郭国忠，等. 我国近年来桥梁事故发生的原因与教训[J].中国安全科学学报，2007，17（11）：90 - 95．[7] 彭天波，李建中，等. 双曲面球型减隔震支座的开发及应用[J].同济大学学报，2007，（02）：176 - 180.[8] [S]JTG D60 - 2015，公路桥涵设计通用规范.收稿日期：2017 - 11 - 8郑学松等：大跨径钢筋混凝土箱型拱桥的施工监控仿真分析􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇􀤇19

匝道弯桥在运营状态下的力学性能分析

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