支座偏心距對匝道橋抗傾覆穩定性能的影響

王　偉，王慶忠

(1.濟南西城投資開發集團有限公司，山東　濟南　250117；2.濟南西城投資開發集團有限公司，山東　濟南　250117)

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支座偏心距對匝道橋抗傾覆穩定性能的影響

王偉1，王慶忠2

(1.濟南西城投資開發集團有限公司，山東濟南250117；2.濟南西城投資開發集團有限公司，山東濟南250117)

王偉(1988—)，助理工程師，碩士研究生，主要從事土木工程行業工作；

王慶忠(1970—)，高級工程師，主要從事土木工程行業工作。

摘要：文章以現運營的某一匝道橋為例，從橋梁支座偏心距的布置出發，結合現有的公路橋梁規范，建立MIDAS/CIVEL有限元模型對匝道橋的抗傾覆穩定性能進行計算分析，探討支座偏心距對匝道橋整體抗傾覆穩定性能的影響，并提出支座合理化設計的相關建議，為類似工程的設計計算提供參考。

關鍵詞：匝道橋；支座偏心距；抗傾覆穩定性；MIDAS/CIVEL；合理設計

0引言

匝道橋在城市高架立交中運用較為廣泛，為了節約橋下空間，提高美觀效果，設計者經常采用獨柱墩形式。城市匝道較主線橋梁往往自重小、寬度窄，移動荷載所占比重較大，隨著交通量日益增多，橋梁所承受的荷載日益增大，近幾年也頻頻發生橋梁傾覆事故。在匝道橋的設計過程中，如何安排合理的偏心距對其抗傾覆性能極為重要，因此有必要對此類匝道橋的設計進行必要的抗傾覆穩定性能驗算，得到最合理的支座偏心距。

1工程概況

該十字路跨線橋采用等高度連續梁，梁高1.4 m，4跨一聯，全橋三聯。布置為：(4×20+4×30+4×20)m。主梁為等高度箱梁，單箱單室，高1.4 m，頂板寬8.0 m，底板寬4.5 m，每側挑臂長1.75 m。跳臂端部厚15 cm，根部厚40 cm，頂板等厚25 cm，底板等厚20 cm。30 m跨徑箱梁腹板厚60 cm，20 m跨徑箱梁腹板厚50 cm。腹板與頂板相接處設100×20 cm承托，與底板相接處設50 cm×20 cm加腋。梁體采用C50混凝土，φj15.2鋼絞線，Ryb=1 860MPa(符合GB5224-85)，荷載等級為公路1級，鋼筋混凝土重力密度按25.5kN/m3取。

本論文只研究中間主梁部分，中間3個墩為獨柱墩，上設盆式橡膠支座。中間的支座為固定支座，另兩個為單向活動支座。兩側采用盆式橡膠支座。橋梁具體支座布置見圖1(平面圖)。

圖1　支座布置圖

2計算依據

根據JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》5.1條，抗傾覆穩定性驗算應該按照極限承載力計算，荷載組合系數則按照規范4.1.6條對承載能力極限狀態基本組合荷載效應系數進行取值[1]。

3建立模型

實體橋為預應力箱型梁結構體系，宜采用大型有限元軟件MIDAS/CIVEL建立模型進行計算，全橋共劃分為122個單元，137個節點，比較真實地模擬了主橋各梁段的截面形狀，對截面變化復雜的梁段如變截面和支點處等都進行了細化。支座底部與橋墩頂部采用一般支承模擬，支座本身采用彈性連接模擬，支座頂部與主梁梁體采用剛性連接進行模擬，對于縱坡較大的橋梁，固定端模擬支座應設置在縱坡低端，這樣模擬可有利于主梁梁體受力，主梁自重可以轉化為梁體壓應力，就相當于施加了預應力，本文所選匝道縱坡較小，所以不予考慮。建立有限元模型見圖2~3。

圖2　支座模擬示意圖

圖3　變截面細部剖面圖

本節計算模型所采用的工程實例依然同上，但將支座預偏心值分別設置為10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、80cm、100cm及200cm八種情況，荷載工況為自重+二期+預應力+升溫18度+移動荷載[2]。(1)計算各預偏心狀態下的支座反力，并根據不同的需求，描繪曲線散點圖，看其支座的受力規律，尋找出合理受力的預偏心范圍；(2)通過計算分析者8種狀態下梁體的扭矩及扭轉位移，進一步確定合理的預偏心范圍，并找到最佳預偏心值。

3.1　支座反力結果分析比較(kN)

不同預偏心下的支座反力情況見表1。

表1　不同預偏心下的支座反力表(kN)

由表1可得在預偏心值逐漸增大狀態下，1#~7#支座支座反力變化圖(見圖4)。

圖4　各支座在不同預偏心值下的反力曲線圖

由圖4可發現，在預偏心值逐漸變大的過程中，3#、4#與5#支座受力基本重合，1#與6#支座受力基本重合，2#與7#支座受力基本重合。其中3#、4#與5#支座受力曲線圖保持平直，這說明中間獨柱墩上的單點鉸支座受力與預偏心值的大小兩者之間基本沒什么影響；但1#與6#支座(即端部外側支座)受力曲線隨著預偏心值的增大而逐漸減小，大致在1.7m處之后將會產生負反力，此時支座將會脫空；可以看到，2#與7#支座反力在預偏心值為10cm時，都會產生負反力，此時兩個支座處于脫空狀態，所以此由圖可以看到端支座內外側支座不出現負反力的范圍為距離梁底中心線15~175cm之間，這之間為支座預偏心合理范圍。同時，單從支座反力這一點看，在預偏心值為80cm時，內外側支座反力值相近，此時預偏心比較合理。但是支座合理預偏心不能單從支座反力或是單從單個支座受力規律來決定，還要有總體系統的對比分析[3]。

由表1可得8種預偏心狀態下匝道橋支座反力曲線散點圖(見圖5)。

圖5　不同預偏心值下的支座反力曲線圖

由圖5可以看到，在預偏心值為200cm時，支座反力曲線與其他預偏心下變化規律有明顯的不同，這是由于偏心值過大，導致了端支座反力分布出現問題，梁體有向內側傾覆的趨勢，這是不可取的；在預偏心值為10cm時，2#、7#支座也是負反力，這些出現負反力的情況都是要避免的。在預偏心值為20~80cm范圍內，受力都有相同的規律性，且都沒有負反力的出現。

3.2　梁體扭矩結果分析比較

由計算模型可以得到預偏心值為10~100cm(200cm情況不予考慮)時的梁體扭矩值(見表2)。

表2　不同預偏心下最大、最小扭矩值表(kN·m)

由表2可見，預偏心值在10~40cm，其端支座扭矩在逐漸減小；預偏心值為40~100cm，其端支座扭矩在逐漸增大，當偏心距為40cm時，最大、最小扭矩值在各個預偏心中是最小的，且為端部支座扭矩值。而當預偏心值在50cm、80cm、100cm時，產生的最大扭矩值位置不在端支座處，而是在獨柱墩單鉸支座處，由于獨柱墩匝道橋抗扭效果主要是其端部支座來提供，而單鉸支座不具備抗扭性能，所以這種狀況是不合理的。

3.3　梁體扭轉位移結果分析比較

通過模型分別計算在10~100cm(忽略200cm)的預偏心下匝道橋的扭轉變形值，并繪出各狀態下的扭轉變形散點曲線圖(見圖6)。

圖6　不同預偏心下梁體扭轉位移曲線圖

由圖6可以看到，預偏心值為50cm的扭轉變形為一個分界點；當預偏心值>50cm時，扭轉變形為正值，且隨著預偏心的增大，扭轉變形逐漸增大，此時，匝道橋會出現向內側扭轉的趨勢；當預偏心值<50cm時，扭轉變形為負值，且隨著預偏心的增大，扭轉位移逐漸減小，此時，匝道橋會出現向外側扭轉的趨勢，并且可以看到，在預偏心值為40cm時，扭轉位移最小。

4結語

結合支座反力、梁體扭矩及梁體的扭轉位移結果對比分析，可以得到，在預偏心值為40cm時，匝道橋的受力最為合理，因此40cm的預偏心值為合理的預偏心值。在計算支座預偏心時，大多在對合理預偏心的確定過程中只考慮了對支座反力的對比分析，找到能夠使支座不出現負反力的區間即為合理區間，內外側支座反力相等時的偏心位置為合理偏心位置。本文細化了對支座偏心距取值的計算分析，除了考慮支座反力，還考慮到梁體扭轉因素的影響，使合理區間的取值進一步縮小，這樣找出的預偏心能夠進一步精確。

參考文獻

[1]JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2]JTGD60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[3]劉德華，金偉良，劉斌，等.獨柱墩曲線梁橋中的支座分析[J].南京理工大學學報(自然科學版)，2006(1)：113-116.

Impact of Bearing Eccentricity on Anti-overturning Stability Performance of Ramp Bridges

WANG Wei1，WANG Qing-zhong2

(1.Jinan Xicheng Investment and Development Group Co.，Ltd.，Jinan，Shandong，250117；2.Jinan Xicheng Investment and Development Group Co.，Ltd.，Jinan，Shandong，250117)

Abstract：With a ramp bridge under operation as the example，starting from the arrangement of bridge bearing eccentricity，and combined with the existing highway bridge specifications，this article built the MIDAS/CIVEL finite element model to calculate and analyze the anti-overturning stability of ramp bridge，discussed the impact of bearing eccentricity on overall anti-overturning stability performance of ramp bridges，and proposed the corresponding recommendations for the rationalization design of bearings，thereby providing the reference for the design calculations of similar projects.

Keywords：Ramp bridge；Bearing eccentricity；Anti-overturning stability；MIDAS/CIVEL；Rational design

收稿日期：2015-07-06

文章編號：1673-4874(2015)08-0068-04

中圖分類號：U442

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.017

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