【摘要】本文以某大橋為工程背景，利用大型空間有限元程序ANSYS，針對單薄壁與雙薄壁兩種橋墩形式，對高墩大跨曲線連續剛構空間力學特性進行分析，通過比較得出不同橋墩對全橋受力的影響差異，以及這種差異與曲率半徑的關系。為今后設計同類橋梁時橋墩形式的選擇，提供了相應的參考建議。
　　關鍵詞：高墩曲線剛構；橋墩形式；受力分析
　　1引言
　　在影響曲線剛構橋受力的眾多因素中，曲率的影響是最明顯的。由于曲率的影響，曲線梁橋產生彎扭禍合效應，結構受力復雜，并且產生扭轉、徑向偏位等變形。對普通的曲線梁橋進行分析時，單純考慮曲率對橋梁的影響是可以的，但對于高墩曲線剛構這一曲線橋的特殊形式來說，僅僅考慮曲率是不夠的，應該將其與橋墩形式結合起來研究。這樣才能綜合反映箱形截面上應力的分布規律，體現彎曲、高墩連續剛構的受力特性。
　　對高墩曲線連續剛構來說，懸臂澆筑和拼裝是目前采用的主要的施工方法。采用懸臂施工法，結構通常要經過兩次(或多次)體系轉化。但考慮混凝土長期徐變后結構受力都會趨近于一次落架狀態，因此有必要了解成橋狀態的曲線剛構的受力特性，本文主要分析不同橋墩形式并結合平面彎曲對成橋狀態下曲線連續剛構的影響（限于篇幅僅分析豎向位移比較）。
　　本文以某高速公路大橋為工程背景。利用空間板殼有限元分析連續剛構空間位移、應力分布規律。模型跨徑、尺寸布置依據白洞河大橋，按中心線展開跨徑布置為75+2×135+75米，采用單箱單室截面，箱梁頂寬12.0米，底寬6.5米，兩側懸臂長度2.75米。墩頂處梁高7.5米，跨中梁高為3.0米，梁高從根部到跨中采用二次拋物線變化，主梁為C50混凝土，墩身為C40混凝土。模型示意如圖1所示。
　　
　　圖1R=300m時雙薄壁式曲線剛構橋全橋計算模型
　　在上面的有限元模型中，橋墩墩底設置為固結約束，兩端橋臺處箱梁梁端端底線上各有兩個位移約束和扭轉約束，不同曲率和墩形式的計算模型，主梁跨徑布置、截面尺寸均相同;曲率分別取300m,600m,900m三種。
　　對于橋墩的選擇，本文中所有模型墩高均選定為100m;在形式上，由于山區橋梁墩高較高，從施工等各方面考慮，設計時一般不考慮采用“V”、“X”、“Y”形的橋墩，所以本文選取空心單薄壁墩和空心雙薄壁墩兩種常見墩形。在橋墩截面尺寸上，以截面面積相等為前提，保證橋墩工程量基本相等，具體尺寸見圖2(a)和2(b)。從方便施工考慮，很多時候空心雙薄壁墩間都不設系梁，故本文又將空心雙薄壁墩分為有系梁和無系梁兩種。其墩間的橫系梁厚度為1m，每個橋墩上共設三道，間距為25m。
　　
　　（a）雙薄壁（b）單薄壁
　　圖2空心壁墩截面（單位：cm）
　　2自重作用下結構空間分析
　　2.1豎向位移比較
　　
　　圖3R=300m時不同墩形剛構中跨跨中頂板豎向位移
　　
　　圖4R=600時不同墩形剛構中跨跨中頂板豎向位移
　　
　　圖5R=900m時不同墩形剛構中跨跨中頂板豎向位移
　　
　　圖6直線時不同墩形剛構中跨跨中頂板豎向位移
　　
　　圖7R=300m時不同墩形剛構中跨跨中底板豎向位移
　　
　　圖8R=600m時不同墩形剛構中跨跨中底板豎向位移
　　
　　圖9R=900m時不同墩形剛構中跨跨中底板豎向位移
　　
　　圖10直線時不同墩形剛構中跨跨中底板豎向位移
　　由圖3~10中我們可以看出:①相同曲率半徑的曲線連續剛構橋的跨中截面的豎向位移與其所選擇的橋墩形式有著密切的關系。位移大小關系依次為:位移最小為單薄壁式;最大是雙薄壁式(無系梁)。在相同曲率的情況下，單薄壁式與雙薄壁式(有系梁)的跨中最大位移值較接近，平均值在5mm以內。由于曲線梁的彎扭禍合特性，箱梁本身的內外緣豎向位移存在著差值。雙薄壁式(無系梁)的內外緣豎向位移差值較明顯，而單薄壁式則基本無差值。②對于選擇相同形式墩形的連續剛構橋來說，跨中截面的豎向位移還隨著主梁曲率的變化而變化。以雙薄壁式(有系梁)為例:當R=300m其跨中截面頂板的最大豎向位移為u=17.5cm,R=600m時u=15.6cm,R=904m時u=16.0cm、直線橋時u=15.8cm。其中，除R=300m以外，其他曲率下(包括直線)結構的變形值十分接近。對于其他兩種墩形的剛構橋，同樣滿足這樣規律。
　　總之，從各模型的計算結果來看，橋墩形式對曲線橋的整體豎向變形影響明顯。而且這樣影響與曲率半徑的有一定的關系，就本節的分析得出，當R=300m時影響最大，由于墩形引起的位移差值達到了1.8cm;當R為600m以上乃至直線橋時，這種影響穩定在1.4cm，即當R在600m以上時，曲率對曲線橋豎向變形影響很小。此外，橋墩形式對箱梁的扭轉變形同樣影響明顯。當橋梁采用單薄壁墩時，無論在何種曲率半徑下，箱梁內外緣豎向位移差值都幾乎為零;但其他兩種都存在著較明顯的差值。同樣，當R=300m,箱梁內外緣豎向位移差值最大〔見圖3);當R在600m以上趨于穩定，即扭轉變形不隨曲率變化而增加。
　　分析原因，關鍵在于橋墩剛度的影響。三種墩的橫截面雖然面積相同，但通過計算得到單薄壁式的剛度最大;兩種雙薄壁式雖然計算上剛度相等，但系梁增加了兩個薄壁的連接性，客觀上增加了剛度。三種不同墩形的剛構橋的變形差異，就是橋墩剛度差異的體現。
　　2.2徑向位移比較
　　用同樣的方法進行徑向唯一比較分析，可以得到相應的位移距離圖，曲線橋的徑向偏位同時受到橋墩形式和曲線主梁曲率的影響。其中相同的半徑下，不同墩形引起的徑向變形不同。兩種雙薄壁墩對應的徑向偏位是面向平曲線內側，單薄壁式則是面向平曲線外側。而相同墩形下，曲率越小，徑向偏位越大，這個規律適應于上述三種墩。對于曲線梁體產生徑向偏位的原因在于墩頂部位分配了主梁的部分扭矩，產生向平曲線的橫向彎曲，并帶動了主梁的徑向偏位。
　　對于直線橋，則不存在徑向偏移的問題，而本文對直線橋也做了相應的計算，結果
　　也驗證了直線橋沒有徑向偏移。
　　2.3應力比較分析
　　
　　圖11300米半徑下單薄壁式墩剛構頂板上緣正應力云圖(單位Pa)
　　
　　圖12300米半徑下單薄壁式剛構底板下緣正應力云圖(單位Pa)
　　由圖11和圖12可以得到不同半徑時剛構中跨跨中底板正應力圖，通過比較這些分析圖可以發現采用不同曲率和墩形的變截面曲線剛構橋中跨跨中截面正應力分布特點。對于相同曲率、不同橋墩形式的曲線剛構，其跨中截面頂板正應力的最大絕對值很接近，約為-8000000pa，即橋墩形式對跨中截面的頂板正應力影響很小:而與之相反，它們之間的底板正應力卻差別較大，其極值相差近1Mpa。另外，隨著曲率半徑的變化，橫截面上頂板內外緣的正應力也隨之變化，且曲率愈小，頂板內外緣正應力差值愈明顯，對于不同的墩形這一規律都適用。究其原因，歸于彎扭禍合效應的存在。
　　高墩連續剛構橋之所以采用空心墩這種墩形，就是為了減少墩身的抗推剛度，以達到較小的墩頂負彎矩的目的。所以除了研究中跨跨中截面的應力之外，本文還將就主墩中截面的應力狀況進行分析。通過分析可以得到，在上述任何同一的曲率半徑下(包括直線橋)，由于大橋采用的墩形不同，其主墩0號塊中截面上的正應力也不相同，但它們都具有相同的變化規律，即:無論是針對頂板或底板，單薄壁式對應的正應力最小，然后是雙薄壁(有系梁)、雙薄壁(無系梁)。這說明對于截面面積相同的空心墩來說，單薄壁式對減小墩頂彎矩作用較明顯。此外，曲率對于0號塊中截面上頂板的正應力的影響也同樣有規律。與跨中截面相同，曲率愈小，橫截面內外緣的應力差值愈明顯，且它與墩形無關。而與跨中截面所不同的，中截面是內緣大于外緣，這正好與跨中截面相反。
　　3結論
　　成橋階段自重作用下，曲線連續剛構跨中撓度比相同跨徑直線橋的跨中撓度大。這主要是因為曲線梁彎扭禍合的作用，自重作用產生的彎矩引起扭矩，扭矩又使得曲線梁跨中彎矩增大，從而使曲線橋產生較直線橋大的豎向位移，并有徑向位移產生。成橋階段的自重作用下，連續剛構受曲率影響，產生彎扭禍合效應，內外側腹板應力存在差別，而且截面應力橫向分布的不均勻性和應力的均值都大于直線箱梁。
　　參考文獻
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