前言
與直線梁橋相比，由于曲率的影響，導致曲線梁橋產(chǎn)生彎扭耦合作用，并且曲線梁橋的質(zhì)量中心不在軸線梁端的連線上，即使在自重的作用下，橋梁結(jié)構也會產(chǎn)生扭矩，所以，曲線橋梁的內(nèi)功、變形計算遠比直線梁橋復雜。因此，國內(nèi)常有曲線梁橋、并以立交匝道橋居多，在施工中或建成后發(fā)生錯位變形現(xiàn)象比較普遍。
最常見的問題表現(xiàn)為為曲線梁沿徑向的位移過大，在一定條件下，有時會突然發(fā)生較大的整體位移。隨著發(fā)生問題曲線梁橋的日益增多，對其結(jié)構特點、受力性能及破壞機理分析已引起國內(nèi)橋梁界同行的重視。
據(jù)報道，深圳市城管辦2001年委托權威橋梁機構對市區(qū)47座橋梁進行檢測或監(jiān)測，檢查結(jié)果被認為是“充分暴露了深圳橋梁，尤其是獨墩單支座曲線橋梁存在的結(jié)構安全問題不容忽視”。專家認為：獨墩單支座支承曲線橋梁在受力上存在抗扭性能差的明顯缺陷，同時在設計上難以對其徑向限位措施做到盡善盡美，在重車高速通過的離心力以及溫度應力等復合因素作用下，梁體產(chǎn)生極為不利的橫向累計位移，嚴重影響橋梁的安全運營。
盡管各橋情況各異，但對此問題，國內(nèi)橋梁界目前已經(jīng)有幾點共識：
?。?）當前國內(nèi)對獨柱曲線梁橋特有力學現(xiàn)象的認識還不夠深入，理論分析方法仍不全面和準確，以致某些橋在某種工況下發(fā)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，在施工或完成后容易造成內(nèi)側(cè)支座脫空、支座破壞等；
?。?）梁體發(fā)生側(cè)移、扭轉(zhuǎn)變形的起因比較復雜，多數(shù)由于持續(xù)環(huán)境荷載的作用、預應力束的設置與施工不當、支座設置不合理等多種因素的綜合作用；
（3）國家及相關部門對此類曲線橋梁尚缺完善的設計規(guī)范；
?。?）關于此類橋梁承受持續(xù)環(huán)境荷載的研究，尚有較大的欠缺。
因此，對曲線梁橋進行較深入的研究，己經(jīng)日趨得到各方面的重視。本文應用有限元方法，以連續(xù)曲線箱梁橋為工程背景，對溫度荷載作用下曲線連續(xù)梁橋的受力與變形特點進行分析。
1、工程實例分析
1．1 工程概況
某樞紐立交B匝道橋由兩聯(lián)組成，其中第二聯(lián)平曲線半徑R=243．7 m，橋?qū)?．5 m，上部構造為6×30 m預應力混凝土連續(xù)箱梁。橋臺和聯(lián)接墩為雙
柱式，其余墩為獨柱式，下部均為鉆孔灌注樁基礎。為防止扭轉(zhuǎn)變形，設計中將第二聯(lián)獨柱墩中心線沿徑向向外側(cè)偏移9cm。第二聯(lián)共設支座9個，其中，
墩為單墩固定支座，
墩和
橋臺并排設置兩個支座，問距2．5 m，為雙向活動支座，其余中間墩均為獨柱雙向活動支座。各墩的樁位平面布置圖見圖1所示。
圖1 B匝道橋第二聯(lián)樁位平面布置圖
該匝道橋已于2003年底完成箱梁主體的施工，2004年8月，在B匝道橋第一聯(lián)完工后進行橋面鋪裝工程的施工準備工作時，發(fā)現(xiàn)在
聯(lián)接墩伸縮縫處兩側(cè)的箱梁梁體發(fā)生相對錯位，第7孔箱梁中線沿徑向向外偏移4．5 cm。2005年6月，通過進一步的檢測發(fā)現(xiàn)，變形又有所增大，第7孔箱梁中線沿徑向向外偏移約7．5 cm，如圖2所示。而且，出現(xiàn)
聯(lián)接墩和
臺的外側(cè)支座壓死、內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象，向外側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形約
。為保證該橋在運營狀態(tài)下正常工作，決定對該橋進行復位和結(jié)構體系改善。
1．2 計算模型
1．2．1 單元剖分
全橋上部結(jié)構共剖分32 047個單元。其中，箱梁橫隔板采用Shell43殼單元，共計490個單元；其他橋面結(jié)構采用殼單元Shell63，共計28 080個單元；預應力鋼束采用Link8單元，共計3 468個單元；支座偏心采用剛臂單元MPC184，共計9個單元。全橋橋面系共劃分節(jié)點30160個，支座部分節(jié)點共計9個，全橋節(jié)點合計30169個，剖分后的有限元網(wǎng)格局部如圖3所示。
1．2．2 計算參數(shù)說明：
混凝土容重2 500 ks/m3，鋼材容重7 800 kg/m3，混凝土強度等級為C50，彈性模量E=3．45 X
N/rn2，泊松比取0．2，線膨脹系數(shù)：
，鋼絞線彈性模量
，泊松比取0．3，線膨脹系數(shù)
，預應力鋼束的預應力損失按30%考慮。
1．3 荷載工況
混凝土箱形截面梁受陽光照射后，其向陽表面的溫度變化幅度大，其背陽表面溫度變化幅度小，且沿高度方向各纖維層的溫度是不同的，從而產(chǎn)生所謂的溫度梯度。由于結(jié)構材料熱脹冷縮的性質(zhì)，勢必產(chǎn)生溫度變形，當變形受到結(jié)構的內(nèi)部纖維約束和超靜定約束時 至騫構會產(chǎn)生相當大的溫度應力。研究資料表明，溫度應力可以達到、甚至超過汽車活載作用下的應力。
溫度效應， 包括年平均溫差（整體升、降溫）和日照驟變溫差 （內(nèi)夕卜溫差和豎向梯度）。然而，由于技術水平的限制，我國的公路橋梁設計規(guī)范中給出了整體升、降溫和頂板升溫的工況，而關于豎向溫度梯度則只給出了T形截面梁的簡單日照溫差分布圖，在箱形截面上的適用性如何至今還沒有準確的結(jié)論。理論分析表明，不同的豎向溫度梯度模式對橋梁上部結(jié)構的影響非常大。目前，世界各國對于豎向溫度梯度的分布也沒有達成共識，如英國、美國、新西蘭和歐洲等國家都有各自的溫度梯度模式，相互之間的差別也很大。
由于二期恒載中僅有護欄一項，而橋面鋪裝等還沒有完成，使梁體發(fā)生偏移的主要原因應該與不利溫度場的作用有關，因此，荷載工況主要考慮了以下幾種工況，并且同時考慮了常年溫差（箱梁整體升溫）和日照溫差（箱梁兩側(cè)的溫差）的影響。
其中，箱梁頂板升溫10℃是在參考新《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）、現(xiàn)場施工實測資料以及文獻[7、10]的基礎上綜合取定的，豎向溫度梯度分布取折線。根據(jù)橋梁方位，曲線箱梁的里側(cè)面向東南方向，因此里側(cè)直接受太陽照射，溫度應該比外側(cè)高，里外側(cè)溫差10℃是根據(jù)現(xiàn)場施工實測資料以及文獻[7]中的實測記錄確定的。反向溫差的工況是為了考察日照溫差對橋梁方位的影響。
1．4 計算結(jié)果
1．4．1 工況1
在一期恒載和部分二期恒載作用下，外側(cè)支座約為內(nèi)側(cè)支座反力的4倍。結(jié)果表明：原設計的9cm預設偏心過小。
1．4．2 工況2
通過計算發(fā)現(xiàn)，頂板升溫10℃時，曲線箱梁橋沿徑向的位移并不是很大，最大僅為0．5cm，但是扭轉(zhuǎn)變形突出，扭轉(zhuǎn)角度約
，在
聯(lián)接和
橋臺處的內(nèi)側(cè)支座均產(chǎn)生拉力，造成支座脫空。工況1作用下各支座反力和位移如表1所示。
1．4．3 工況3
在常年溫差作用下，即箱梁整體升溫34℃時，曲線梁橋在徑向的位移明顯，梁端最大位移為1．1cm，說明常年溫差的作用是造成曲線橋梁發(fā)生徑向偏移的主要原因，而扭轉(zhuǎn)變形則介于工況1和工況2之間。
1．4．4 工況4
在箱梁里、外側(cè)10℃溫差作用下，曲線箱梁橋沿徑向的位移量介于整體升溫和頂板升溫之間，最大徑向位移為0．80cm。
1．4．5 工況5
當曲線箱梁外側(cè)溫度比內(nèi)側(cè)溫度高1O℃時，曲線箱梁橋沿徑向的位移不明顯，說明曲線箱梁橋具有較好的抵抗外徑溫度高、內(nèi)徑溫度低引起變形的能力，因此說，曲線箱梁橋的方位對其受力和變形有一定影響。
1．5 不同規(guī)范比較
如前面所述，工況2中所考慮的箱梁頂板升溫1O℃是在參考新《公路橋涵設計通用規(guī)范》 （JTGD60—2004）、現(xiàn)場施工實測資料以及文獻[7、10]的基礎上綜合取定的。而原結(jié)構設計所依據(jù)的是《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 023—85），為了考察不同設計規(guī)范中溫度效應計算的規(guī)定對箱梁受力的影響，這里設計了3個計算方案，并分別將依據(jù)3種計算規(guī)定的計算結(jié)果列出，以比較它們之間的差別。
1．5．1 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 023-85）
在附錄五中關于T形截面連續(xù)梁由日照溫差引起的內(nèi)力的計算中規(guī)定：在無實測資料時，可假定溫度差+5℃（橋面板上升5℃），并在橋面板內(nèi)均勻分布。為了便于對比，計算工況均取工況2時的條件，只有梯度溫度不同，計算結(jié)果如表2所示。
1．5．2 《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）依據(jù)第4．3．10條第3款規(guī)定：對混凝土鋪裝橋面來說，橋面板的最高溫度取25℃，豎向梯度溫度取折線，該規(guī)定是在參考美國AASHTO規(guī)范基礎上進行改動的。該工況下的計算結(jié)果見表3所示。
1．5．3 頂板升溫1O℃
計算結(jié)果在前面工況2中已經(jīng)給出。
1．5．4 對比分析結(jié)果
通過3個計算方案的對比可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)有約束條件，依據(jù)原《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ023—85）中的梯度溫度規(guī)定計算時，
聯(lián)接墩和
橋臺的內(nèi)側(cè)支座均不會出現(xiàn)拉力，而依據(jù)新的公路橋規(guī)中的梯度溫度計算時，產(chǎn)生的拉力非常大，達到333 kN。而按頂板升溫1O℃的計算結(jié)果介于二者之間。
這一方面說明，新的公路橋規(guī)在梯度溫度方面的改動幅度很大，過渡不是很平順；另一方面也說明，我國原公路橋規(guī)關于梯度溫度的規(guī)定明顯不合適，而且無論是與新的公路橋梁規(guī)范（JTG D62—2004）或是新的《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構設計規(guī)范》（TB 10002．3-2005）相比都偏于不安全，這也是造成本文所分析的曲線連續(xù)箱梁橋發(fā)生支座脫空和徑向偏移的原因之一。
1．6 主要原因分析
針對本文所分析曲線連續(xù)箱梁橋所出現(xiàn)的病害，利用ANSYS程序進行了建模和分析，計算結(jié)果表明：首先，我國原公路橋規(guī)關于梯度溫度的規(guī)定明顯不合適，而且是偏于不安全，依據(jù)該橋規(guī)中的梯度溫度規(guī)定計算是造成曲線箱梁梁體發(fā)生支座脫空和徑向偏移的原因之一。
其次，原有設計偏心（9cm）偏小，造成6 墩和12 橋臺處內(nèi)側(cè)和外側(cè)支座的反力相差過大，在一期和二期恒載作用下，內(nèi)側(cè)支座反力約為400kN，而外側(cè)支座反力為1600kN。此時，內(nèi)側(cè)支座還不至于出現(xiàn)拉力。但是，在不利溫度作用下內(nèi)側(cè)支座會出現(xiàn)約130kN的拉力，造成內(nèi)側(cè)支座脫空，梁體發(fā)生向外側(cè)約1度的扭轉(zhuǎn)變形，垂直面內(nèi)的高差約8cm。
再次，由于整個曲線箱梁橋在徑向的約束很弱，在常年溫差和日照溫差的聯(lián)合持續(xù)作用下，梁體發(fā)生向外側(cè)的徑向偏移，單種溫度工況時最大的偏移達1．1 cm，由于梁體已經(jīng)發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，使得該徑向偏移不能自動復位，并隨時間增長持續(xù)加大，這種現(xiàn)象國內(nèi)多稱之為——非線性爬行，這也與現(xiàn)場實測偏移逐年增大的結(jié)果相吻合。
通過施加反向溫差的計算表明，不會造成沿徑向的偏移情況，因此說，不利的橋位、支座設置和溫度場（常年溫差和日照溫差）的綜合作用是造成梁體發(fā)生非正常錯位的主要原因。
2、處理方案
在參考國內(nèi)同類病害橋梁處理方案的基礎上，并考慮到施工操作的可行性，共提出3個支座更換方案，分別是：
處理方案1：6 聯(lián)接墩和
橋臺處的外側(cè)支座均更換為單向活動支座；
處理方案2：除
墩外，其余墩上支座均更換為
單向活動支座；
處理方案1：
聯(lián)接墩和
橋臺處的外側(cè)支座均更換為單向活動支座；
處理方案3：在
墩外側(cè)增設鋼管混凝土立柱、并在
、
墩和
臺設橫向擋塊。
在一般曲線連續(xù)箱梁設計中，抗扭跨徑（指兩抗扭墩之間的累計跨長）不宜超過100～120m，而本文分析的曲線連續(xù)箱梁橋的抗扭跨徑已達180 Ill。在綜合考慮并借鑒國內(nèi)同類病害橋梁處理方案的基礎上，決定采用處理方案3作為最終實施方案，并在實施過程中，在6 聯(lián)接墩和12 橋臺附近的箱梁內(nèi)側(cè)澆注了混凝土配重，以保證在不利溫度效應作用下，
聯(lián)接墩和
橋臺處的內(nèi)側(cè)支座均保持最小400 kN以上的壓力，可以保證內(nèi)側(cè)支座不再出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。
3、處理效果
（1）與設計坐標對照，各橋墩、橋臺在徑向基本恢復到設計位置，存留的偏移量比設計位置向內(nèi)偏約0．9 cm左右。
?。?）各橋墩、橋臺的高程也基本恢復到設計位置，
墩處內(nèi)側(cè)基本達到設計標高，外側(cè)仍然低約1．5cm。其余各墩的高程偏差均較小，可以滿足使用要求。根據(jù)高程測量結(jié)果，梁體已經(jīng)基本沒有扭轉(zhuǎn)變形，箱梁底面已基本調(diào)平，殘余的扭轉(zhuǎn)變形約
，與原來的扭轉(zhuǎn)
相比，殘存的扭轉(zhuǎn)變形很小。
?。?）經(jīng)現(xiàn)場測試，在僅受自重狀態(tài)下，
墩內(nèi)側(cè)支座反力約650kN，
橋臺內(nèi)側(cè)支座反力約1050kN?？梢员ＷC內(nèi)側(cè)支座不再出現(xiàn)拉力和脫空現(xiàn)象。
4、結(jié)論
（1）溫度效應對曲線連續(xù)梁橋的影響是顯著的，原公路橋涵設計規(guī)范中對橋梁豎向溫度梯度的規(guī)定不合理，比實際溫差小很多，以此為依據(jù)所設計的曲線連續(xù)箱梁橋容易出現(xiàn)病害，影響正常使用。
（2）箱梁頂、底板的溫差效應是造成曲線連續(xù)箱梁扭轉(zhuǎn)的主要因素，而整體升溫則是曲線連續(xù)箱梁橋直接發(fā)生徑向偏移的主要原因。由于箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)后，沿徑向的偏移不能自動回復、并且長期積累，導致曲線連續(xù)箱梁橋沿徑向偏移逐年增大。
（3）支座設計要進行多方案比選和多溫度工況計算，以優(yōu)化支座設計和確定中間墩的預設偏心量。
