关于箱梁温度爬移的讨论

随着我国经济建设和对外开放的迅速发展，城市高架桥和立交桥的形式和构造日趋复杂多样。城市高架桥和立交桥由于功能的要求和地形条件的限制，多采用曲线桥和异形变宽桥或匝道桥。
与直线梁桥相比，由于曲率的影响，这些桥梁线型变化多样，结构受力复杂，除承受弯矩、剪力外，还有较大扭矩和翘曲双力矩的作用，因此容易出现裂缝、支座移位等病害。近年来，国内出现了一系列温度等荷载作用下曲线梁桥的侧移、翻转等问题，引起了各界的关注。其中，桥面的整体位移过大而导致破坏的现象为数众多。经专家分析认为，发生这种破坏的主要原因是对曲线桥缺少可靠的设计理论指导。缺少有效的计算方法和完善的技术规范，使得对此类桥型的受力与变形特性缺乏客观认识，致使其结构在诸多方面不能进行可靠的分析。
由于曲线桥梁的构型特点，使得约束变温引起的侧移问题非常突出，如在深圳市有多座曲线桥梁出现不同程度的侧移，有的由于侧移过大而失稳破坏。桥梁的侧移严重地影响了城市交通，并掩藏着巨大的安全隐患。
$ r0 J& r" i* {9 p4 G相关单位以深圳黄木岗立交桥的侧移失稳破坏为工程背景，分析了该类曲线桥梁的破坏机理：（1）导致曲线桥失稳破坏的主要原因是约束变温效应。当升温19℃（气温达到37℃），桥体发生整体侧移。变温效应过大的原因是梁端部支座切向约束过刚。当升温引起的侧向位移达到一定程度时支座反力增大，导致桥体失衡外移；（2）导致曲线桥破坏的另一相关因素是曲线桥重心位置设置不当。由于各中间支座的外偏心矩不够，致使桥梁两端双支承的内支座在气温高于19℃（竣工温度为18℃）时就脱空。重心的偏差使桥梁端部在大部分运营过程中处于单点偏支承状态，一遇升温桥体就会向外翻转。这一方面加剧了桥梁的失稳侧移，另一方面也导致各支座受力不均匀，严重时造成橡胶垫被挤出或破坏，正如所观测到的橡胶垫破坏情形。
提出了三点设计方面的改进建议：
（1）  温度荷载取值：85规范对箱梁上下缘温差规定为5℃，与桥梁实际情况差别较大，如深圳市黄木岗A匝道的箱梁上下缘温差的实测值在10℃以上。箱梁上下缘温差的不同，导致曲线桥的受力和变形也随之不同。通过分析，建议将箱梁上下缘温差取为10℃。
( |+ T, P8 s5 x( n+ l（2）  改善端部约束作用：在各种荷载作用下，曲梁的变形直接影响墩顶橡胶支座的水平受力情况和曲梁内部储存的变形能大小。具体情况为：在相同的荷载作用下，曲梁的变形越大，对橡胶支座的水平作用力越大，这种作用力的增大加快了其维持曲梁平衡能力的降低，使得曲线桥较快地进入临界状态。也就是说，曲梁的变形越大，越容易发生侧向滑动，即曲线桥越容易产生破坏。另一方面，曲梁的变形越大，其内部储存的变形能越大，进而导致其向外侧滑动位移增大。为了避免这种破坏发生，必须采取一定的措施来改善曲梁的受力和变形情况，使其在最不利荷载组合下，受力与变形不超过设计允许范围。
通过计算分析可知，对给定的温度荷载，曲梁两端的约束条件直接影响各支座摩擦力的大小，或者说曲梁两端的约束条件直接影响各支座摩擦力的发挥度。在给定荷载作用下，放松端部切向约束（减小约束刚度）可以抑制各支座摩擦力的增长，尤其是端部支座摩擦力的增长，因而，提高了临界温度。
根据曲梁整体失稳机理分析，如果进入临界状态，曲梁端部需要有足够的抗冲击能力的约束，否则，曲梁是不安全的。
综上，曲梁的端部约束应该是低刚度（放松连续曲线梁桥的端部切向约束）和高强度。
（3） 设计中考虑径向位移影响：由前分析可知，曲线桥梁的破坏是变温引起的过大的侧向位移所致。可以通过调整支座约束条件改善径向位移，但这种调整应在了解准确侧向位移变化情况的前提下进行。而由现行设计规范和屡屡发生的破坏事故可以看到，在曲线桥梁的设计中对侧向位移的考虑不够。
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改为无伸缩缝曲线箱梁后的思考：
根据上面的分析可知，曲线箱梁端部的约束条件是温度等荷载作用下曲线箱梁整体受力性能的重要影响参数。端部合理的约束状态应是低刚度（即放松端部切向约束）和高强度。但由于端部的构件复杂，有端支座、伸缩缝和抗震锚栓等，使整个端部受力紊乱，难以用简单的分析作出正确的结论。此时，大胆地设想，如果取消桥梁两端的伸缩缝和支座，把主梁和桥台浇注成刚性结点而形成无伸缩缝曲线箱梁，简化主梁－桥台区域构造，明确受力分析，改变边界条件，能否对抑制梁端的温度爬移效应起到有利作用呢？
. _& {; [6 w  W8 _% g可以说，无伸缩缝曲线箱梁是桥型交叉的产物（曲线箱梁桥和整体式桥台桥梁交叉），即传统的曲线箱梁采用了无伸缩缝设计理念后得到的一种新型桥梁结构，也就是采用整体式桥台的曲线箱梁。它兼具了整体式桥台桥梁和传统曲线箱梁的特点，对它进行的研究也具有学科内交叉的性质，即必须分别弄清楚两种交叉桥型的力学性能，“先化二为一，再积一为二”。当然根据组合原则“1＋1>2”，组合后的新桥型应该具有自己特有的结构特性和受力性能。
  传统曲线箱梁采用整体式桥台后，力学性能发生了变化：
- {' j+ h5 D" B4 O7 u1）由于无伸缩缝曲线箱梁桥取消了梁端伸缩缝，把主梁和桥台固结成整体，省去了梁端支座，避免了梁端支座的破坏现象。
! r! x* y2 `5 }+ S* V9 V: h2）升温时，根据曲梁整体失稳机理分析，如果进入临界状态，曲梁端部需要有足够的抗冲击能力的约束，否则，曲梁是不安全的。改为无伸缩缝桥后，提高了曲梁端部约束的强度。
! }7 d: g( |& W. U6 C* Y' B2 o0 z3）整体式桥台桥梁显著的特点之一就是采用柔性桩，如果配合柔性桥台，则曲线桥在梁端约束中的切线刚度有所缓解，满足“端部合理的约束状态应是低刚度”的原则。
4）增加了超静定次数，且桩和桥台的弹性变形能够吸收一部分的变形能，有利于消除或减少向外侧的移动和翻转。但桩―桥台―土的相互作用关系有待进一步研究，此时桥台和桩的刚度是一个重要的影响参数。
5）由于在温度等荷载作用下，梁端结点会发生径向和切向的移动和两个方向的转动，所以必须对结点单独进行研究，以使其具有合理的构造，满足受力和变形要求。
. A6 }% S3 \0 K6 T6)如果能进一步取消所有墩上的支座，则能进一步简化设计，避免支座的破坏和维护以及因支座系统设置不当造成的病害。但此时墩的支承位置和刚度都是重要的影响参数，墩的支承位置设置不当，会产生很大的扭矩；而墩及其基础的刚度不当会产生过大的变形或局部的开裂。
' A7 ~5 g1 [* H9 O* P) J4 P0 ~5 c0 \由此可见，由于无伸缩缝曲线箱梁特殊的构造特点和受力性能，满足了曲梁的端部约束应该是低刚度和高强度的原则，故这种桥型对目前工程中常出现的温度引起曲线箱梁两端的爬移效应应该有较好的抑制作用
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