鋼筋混凝土連續彎箱梁橋結構受力特點與實例分析

曲世琨

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海市200032）

鋼筋混凝土連續彎箱梁橋結構受力特點與實例分析

曲世琨

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海市200032）

鋼筋混凝土彎箱梁橋因其良好的力學性能及經濟性，同時對道路線型的適應性，在城鎮立交設計及公路路網交叉節點設計時得到了廣泛的應用。現分析彎箱梁橋的力學性能及受力特點，并結合工程實例探討有關彎箱梁橋支座布置及抗傾覆的問題，總結出彎箱梁橋在設計過程中的注意事項及解決方法，為同類橋型的設計提供一定的參考。

彎箱梁橋；支座布置；抗傾覆

0　引　言

隨著城鎮規模的發展及道路交通的需要，道路路網建設時在部分交通節點需修建互通立交。在道路線型設計的過程中，由于受地形、地物條件的影響，或在立交匝道工程中，需設置部分曲線以滿足線型及交通功能的需要[1]。當路線曲線半徑較大時，常規的設計理念是以直代曲，該方法雖能滿足線型走向及使用功能，但美觀程度欠缺，后澆濕接縫也存在眾多弊病。而當遇到小曲線半徑的路線時，往往需要采用整體現澆連續彎箱梁橋以滿足設計的需要。相對于直線梁橋，連續彎箱梁橋能適應較為復雜的建筑空間條件，整體受力性能優越，同時曲線梁外觀柔美輕快，線型生動優美，且行車平順流暢。彎箱梁雖有以上優點，但也存在些許不足，如在彎扭耦合作用下箱梁梁端偏向曲線外側“爬移”，內外側支反力不均導致的支座脫空，使用階段梁體裂縫寬度超限值，以及伸縮縫變形不均勻等問題。在彎箱梁橋的設計過程中，有針對性地對可能出現的病害采取有效的防治措施，最大程度地提高結構的使用壽命及景觀效果。

1　彎箱梁橋受力特點

1.1彎-扭耦合作用

作為曲線梁橋的特點之一：即是梁體在外力作用下同時產生彎矩和扭矩，兩者相互影響，形成“彎-扭”耦合作用[2]。在這種耦合作用力下，結構的受力變得異常復雜且不明確。梁體的變形在彎矩和扭矩的疊加效應下較一般直線梁橋大，梁截面主拉應力效應也較大。曲線半徑越小，扭矩就越大，大曲線側的梁體的變形就越明顯。對于常用的箱型截面梁，過大的耦合效應將使梁端產生翹曲變形。如若梁端橫向約束剛度不足，在荷載的長久作用下，梁體將逐漸向曲線外側“爬移”。因此，在彎、扭矩的共同作用下，結構的變形、橫向位移將成為影響結構使用性能的一大隱患。在進行小曲線半徑橋梁設計時，需采取相應的措施以減小耦合作用對梁體的影響。

1.2曲線內外側受力不均

扭矩在截面上產生的剪力流，使得內外側梁體形成荷載差，導致外側梁所受荷載加大，內側梁所受荷載相應減小，從而導致內外側梁體變形不一致，截面應力不均勻，降低結構的耐久性。

1.3支反力不均引起支座脫空

梁體內外側受力不均的間接影響是使得設置了抗扭雙支座的梁體內外側支座不均勻受力。支反力的不均勻不僅左右支座的選型，同時也會影響墩臺結構的設計。當內外反力差很大時，如若未設置有承受拉力的支座，曲線內側的支座將會脫空，使得梁體與支座脫離，嚴重影響曲線外側支座受力及結構整體安全。因而在結構尺寸設計及支座布置時需盡量減少這種反力差，使內外支反力均衡化。

鑒于彎箱梁橋獨特的受力特點，當結構設計不合理或使用階段維護不當時，梁體將會產生一系列的有別于直線橋梁的病害。如上所述，主梁支座的脫空、主梁裂縫及變形超限、整體傾覆破壞、墩柱開裂破壞等。因此，需對曲線梁橋進行全面的分析及可靠的設計。

2　彎箱梁橋可靠性設計

針對小半徑曲線彎箱梁可能產生的病害，需對其進行有效的防治。總體而言，有以下幾種方式。

2.1合理布置橋跨

對于普遍性存在的梁體內側支座脫空的現狀，為保證曲線內側支座處于受壓狀態，比較有效的措施之一：即合理布置橋跨，使邊跨盡量與中跨跨徑相近。理論研究證明，當邊跨與中跨比為0.8或采用等跨布置時，即可消除因跨徑不等而產生的反力差，避免內側支座出現拉應力。

2.2加強箱梁構造設計

在以往的箱梁設計時，結構尺寸如頂底板、腹板等均設計得比較纖薄。雖然減少了結構自重，但也降低了結構的抗剪能力，橫向的抗扭轉抗畸變能力也被削弱[3]。為了達到兩者的平衡，需采取相應的構造措施以提高截面的抗力：（1）正確設計頂底板及腹板厚度，腹板厚度不宜小于30 cm，頂底板厚度不宜小于20 cm，靠近支點的截面加厚數不小于原厚度的50%；（2）適當增加橫隔板數量，除端橫隔梁外，在跨內按不超過10 m的間距布置厚度不小于30 cm的橫隔板；（3）合理選擇懸臂長度，通過合理設計翼緣板有效分布寬度來調整剪力滯效應的影響。

2.3支座的合理選型及布置

正確的選擇支座樣式及合理的布置，將會有效地防止梁體“爬移”和“脫空”，并改善梁體的力學效應。常見的彎箱梁橋支撐體系可概括為四種：獨柱點鉸支承體系、獨柱點鉸-固結混合支承體系、全抗扭支承體系及點鉸-抗扭混合支承體系。獨柱墩雖然能減少下部結構的設置，并對建筑空間有更好的應用性，但梁體及墩臺扭矩效應明顯，受力形式較布置有抗扭支座的結構而言略差。而以上四種體系又分別包含設置預偏心或不設置預偏心兩種類型[4]。預偏心設置的大小需根據計算確定，偏心值得設置應使梁體在自重作用下內外側支反力及墩臺兩側扭矩大小比較均衡為宜。當確定支座布置方式后，需合理選擇支座的約束方式，是單向支座、雙向支座或固定支座，應通過計算對比分析，找出使梁體及墩臺受力最均衡的約束方式。

2.4整體抗傾覆設計

對中小跨徑彎箱梁橋，需進行上部結構整體抗傾覆驗算：使上部結構傾覆的汽車荷載（含沖擊作用）標準值效應與使上部結構穩定的作用效應的比值及抗傾覆穩定系數不應小于2.5。抗傾覆驗算的前提是確定結構的傾覆軸線：（1）當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線內側時，傾覆軸線為橋臺外側支座連線；（2）當跨中橋墩全部支座位于橋臺外側支座連線外側時，傾覆軸線取為一橋臺外側支座和跨中橋墩支座連線。其抗傾覆安全系數γqf可按下式計算[5]：

式中：RGi為成橋狀態時各個支座的支反力；xi為各個支座到傾覆軸線的垂直距離;u為沖擊系數；qk及Pk為車道荷載中均布荷載及集中荷載；Ω為傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積；e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

3　工程實例分析

綜上所述，在全面了解和分析了彎箱梁橋的受力特點及可靠性設計的理念后，下面以一實際工程為例對該類結構進行分析研究，并著重分析荷載作用下結構的反力、扭矩效應及全橋的抗傾覆安全性。

3.1工程概述

該工程為某城市一互通立交橋S匝道第二聯3×20 m鋼筋混凝土連續彎箱梁橋，中心樁號S0+105.226，匝道位于半徑R=70 m的圓曲線上。上部結構采用單箱雙室的鋼筋混凝連續彎箱梁，混凝土等級為C50。梁高1.8 m，橋面寬11.5 m，翼緣板寬度為2.5 m。跨中截面頂板厚度為25 cm，底板厚為22 cm，腹板厚40 cm；支點處各結構厚度均增加20 cm。各跨間設置30 cm厚跨中橫隔板。全橋支座采用全抗扭雙支座，支座中心間距為4 m，在0號、3號墩設置10 cm向曲線外側偏心；在1號、2號墩處設置15 cm向曲線外側偏心。下部結構采用雙柱花瓶墩，鉆孔灌注樁基礎：墩身厚1.6 m，寬度由1.5 m過渡到2.0 m，承臺厚2.0 m，樁基直徑1.8 m，樁長30 m。匝道立面、平面及斷面圖如圖1所示。

3.2結構建模與單元離散

該橋采用MIDAS/CIVIL有限元軟件進行上部結構分析計算。全橋共劃分為96個單元，113個節點（其中包含16個支座節點）。結構離散模型如圖2所示。結構考慮荷載效應如表1所列。

支座布置如圖3所示：全橋在曲線內側1號墩設置固定支座，其余墩分別設置單向或雙向支座。

圖1　匝道立面、平面及標準斷面圖（單位：cm）

圖2　全橋結構離散模型透視圖

表1　全橋結構荷載效應一覽表

圖3　支座布置示意圖

3.3全橋結構計算分析

3.3.1支反力計算

該工程采用全抗扭雙支座，在考慮支座預偏心的情況下，各墩頂支座受力均勻，且均為受壓狀態，未出現拉力，避免了使用階段支座“脫空”現象的發生。恒載效應支反力及各組合包絡效應下支反力如表2所列。

表2　全橋支反力計算結果匯總表　kN

3.3.2扭矩計算

通過合理的布置支座，以及相應的構造措施，該橋各跨間扭矩絕對值較為均衡，恒載及活載扭矩效應如圖4、圖5所示。

3.3.3抗傾覆計算

根據上述彎箱梁抗傾覆計算理論，選定結構傾覆軸軸線，建立抗傾覆計算模型，如圖6所示。各支座到傾覆軸線距離為X1=3.96 m，X2=0 m，X3=3.958 m，X4=0 m，X5=9.01 m，X6=5.376 m，X7= 18.696 m，X8=15.681 m，其恒載支反力如表2所列。傾覆軸線與橫向加載車道圍成的面積Ω=75.82m2，橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值e= 3.305 m。經計算，該結構抗傾覆安全系數γqf=35.8遠大于2.5，故全橋抗傾覆安全驗算滿足要求。

圖4　恒載作用下全橋扭矩圖

圖5　活載作用下全橋扭矩包絡圖

圖6　上部結構箱梁抗傾覆計算模型

4　結語

通過上述理論結合工程實際的分析研究，得出如下幾點結論：

（1）邊跨與中跨跨徑比宜為0.8～1.0，可在一定程度上消除因跨徑不等而產生的反力差，改善支座不均勻受力的現象。

（2）適當增加中橫隔板數量或適當加厚，可大大增強截面的抗扭能力，避免箱梁截面因抗扭特性布置導致的畸變。

（3）在橋下建筑空間允許的條件下適當增大支座間距，并設置支座預偏心，可大大改善結構內外側變形及受力不均的現象，并有效地防止梁體“爬移”或支座“脫空”。

（4）采用全抗扭雙支座的結構形式，其抗傾覆能力將大大提升，并能有效地改善梁體“彎-扭耦合”效應，上部結構受力更均衡。

[1]鄧濤.預應力連續彎箱梁橋的設計與分析[J].山西建筑,2013，(24):180-181.

[2]邵榮光.混凝土彎梁橋[M].北京：人民交通出版社,1996.

[3]熊雪明.鋼筋混凝土連續彎箱梁橋設計實例[J].城市道橋與防洪,2011，(4):78-81.

[4]梁仲林.曲線梁橋設計中支承形式的選用[J].橋梁建設,2007，(增刊):7-10.

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[6]JTGD60-2015,公路橋梁設計通用規范[S].

U441+.5

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1009-7716（2016）04-0061-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.020

2016-01-19

曲世琨（1981-）,男，山東萊州人，碩士，工程師，從事路橋工程設計工作。