斜交梁橋空間模型支座反力參數化研究

翟鵬飛

（山西省公路局 長治分局，山西 長治 046000）

0 引言

在山西省高速公路建設中，特別是在山區，橋梁工程所占比例較大，由于橋梁所處位置的地理條件、既有工程線路（如道路，鐵路等）、公路線型要求等限制條件，部分橋梁有必要設計成斜交型式。斜交角度的大小大多數情況下取決于所跨既有線路與新建線路之間的交角。斜交橋有改善線路的優點，但由于存在斜交角，其所表現出來的力學行為特點也與正交橋有所不同。斜交橋在豎向荷載作用下彎曲時會伴隨扭矩產生，而扭矩的產生又會反過來產生彎曲效應。同曲線橋一樣，斜交橋梁在力學上也具有“彎扭耦合”效應，故其受力特點較直線橋復雜[1-2]。

本文對跨徑為（22+2×30+22）m的斜交梁橋采用空間實體單元建立模型并進行了參數化分析，一是研究支座布置間距對斜交橋梁支座反力的影響規律，并通過其規律來對斜交橋梁的支座間距得出合理的布置間距；二是在某特定支座間距布置下，通過變化斜交角度來研究斜交角對斜交橋梁支座反力的影響規律。

1 工程概況及有限元模型建立

本斜交梁橋跨徑布置為（22+2×30+22）m，橋寬12.0 m，單箱雙室，斜交角θ=45°，主梁斷面見圖1。主要材料參數：主梁混凝土 C50，混凝土容重γ=26kN/m3；橋面鋪裝為10cm的C50防水混凝土+10 cm瀝青混凝土，其中瀝青混凝土的容重γ=24 kN/m3；防撞護欄（單側）為10.5 kN/m。

圖1 主梁截面尺寸（單位：cm）

本文采用大型有限元軟件ANSYS中提供的SOLID65空間實體單元來建立該斜交橋梁有限元分析模型。有限元分析模型見圖2，支座約束條件及支座編號見圖3。

圖2 斜交橋梁實體空間有限元模型圖

圖3 支座約束條件及支座編號示意圖

2 斜交橋梁支座布置間距對支座反力的影響規律

在模型中分別設置支座間距d=4 m、d=5 m、d=6 m、d=7 m，斜交角θ=45°，在各個支座間距條件下，分析自重作用（一期+二期恒載）工況下斜交梁橋支座反力分布情況，支座豎向反力結果見圖4。

圖4 恒載工況下支座反力分布圖

從圖4中可以看出，對于四跨連續斜交梁橋，在各種支座間距布置條件下，支座反力分布規律為1、4號墩左側支座反力小于右側，而2、5號墩左側支座反力則是大于右側，3號墩左、右側支座反力相等。此外，在跨徑布置一定條件下，隨著支座間距d的增大，1、2號墩左側支座反力減小，右側支座反力逐漸增大；3號墩左、右側支座反力基本不變，而4、5號墩則是左側支座反力增大，右側支座反力減小。

同樣在上述4種支座間距條件下，分析自重+車道偏載工況下斜交梁橋支座反力分布情況。由于該橋橫橋向最大可以布置3個車道荷載，其中的兩車道偏載屬于最不利情況，故選取恒載+兩車道偏載作用為分析工況，該兩個車道根據規范布置在斜交橋梁中心線右側。在各支座間距布置條件下斜交橋梁支座反力結果見圖5。

圖5 自重+車道偏載工況下支座反力分布圖

從圖5中可以看出，對于四跨連續斜交梁橋，該工況下各個支座間距布置下支座反力分布規律為1、2、3、4號墩左側支座反力小于右側，5號墩支座反力分布規律較復雜。隨著支座間距d的增大，1號墩左側支座反力減小，右側支座反力增大；2號墩左、右側支座反力基本沒有變化，而3、4、5號墩則是左側支座反力增大，右側逐漸減小。

綜合這兩種工況下支座反力分布規律來看，恒載工況下主要是1、5號墩左、右側支座反力差別較大，而在恒載+兩車道偏載作用下主要是4號墩左、右側支座反力差別最大，其次是1、2、3號墩。此外，在相同支座間距布置條件下，車道偏載作用會使得斜交橋梁同一支墩左、右側支座反力差距變得更大。

3 斜交橋梁斜交角度對支座反力的影響規律

在模型中分別設置斜交角θ=0°（即正交橋）、θ=15°、θ=30°以及 θ=45°，支座間距 d=6 m，分析各種斜交角度下斜交橋梁支座反力在恒載工況下的分布規律。在支座間距一定條件下，各斜交角度下支座反力的分析結果見圖6。

圖6 自重工況下支座反力分布圖

從圖6中可以看出，該恒載工況下，當在θ=0°～45°范圍內時，隨著斜交角θ的增大，1號墩左側支座反力減小，右側支座反力增大；而5號墩則是左側支座反力增大，右側支座反力減?。黄溆喔鞫兆?、右側支座反力相等。可見在直線橋的情形下，各支座左右側支座反力均相等，但隨著斜交角θ的增大，斜交橋“彎扭耦合”效應越來越明顯，在邊跨梁端所造成的扭矩也越大，最終表現為銳角處支座反力逐漸小于鈍角處支座反力的分布規律。

同樣在上述5種斜交角度下，分析自重+車道偏載作用下斜交橋梁支座反力分布規律，仍選取恒載+兩車道偏載作用為分析工況。在各種斜交角度下斜交橋梁支座反力分布規律如圖7所示。

圖7 自重+車道偏載作用下支座反力分布圖

從圖7中可以看出，該工況下，當在θ=0°～45°范圍內時，隨著斜交角θ的增大，1號墩左側支座反力減小，右側支座反力增大；而5號墩變化規律與1號墩正好相反，其余各墩支座反力沒有變化。

綜合這兩種工況下的支座反力隨斜交角的變化規律看，斜交橋梁斜交角的變化只會引起邊墩支座反力發生變化，且該兩種工況下邊墩支座反力變化規律一致，而對中間支墩的支座反力沒有影響。此外在相同斜交角度條件下，車道偏載作用使得各支墩左、右側支座反力差距變大。

4 結語

a）對于四跨連續斜交梁橋，在恒載工況下，支座間距參數變化只對邊支墩和次邊墩支座反力分布有影響，而對中支墩支座反力無影響；但是如果考慮恒載+車道偏載作用后，支座間距參數變化對中支墩支座反力也會有影響。

b）同樣對于四跨連續斜交梁橋，在恒載以及恒載+車道偏載兩種工況下，斜交角參數變化均只對邊支墩支座反力有影響，而對其余支墩支座反力無影響。

c）在斜交角度較大，且支座間距也較大時，此時支座反力分布最不均勻，在設計時一定要考慮車道偏載作用的不利影響，甚至有必要考慮超載偏載車道對邊支墩支座反力分布的不利影響。