結(jié)構(gòu)支承布置對(duì)曲線梁橋效應(yīng)影響研究

關(guān) 偉，李群鋒

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著山西省交通事業(yè)的快速發(fā)展，為了使橋梁設(shè)計(jì)滿足路線平面線形、橋址地形及避開地下管線設(shè)施的需要，曲線梁橋在互通區(qū)及城市高架橋中不斷涌現(xiàn)，曲線梁橋的不斷涌現(xiàn)是橋梁發(fā)展的必然結(jié)果。曲線梁橋由于結(jié)構(gòu)自身存在著與直線橋本質(zhì)的區(qū)別（彎扭耦合），曲梁結(jié)構(gòu)在彎扭耦合作用下，結(jié)構(gòu)變形比直梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而其結(jié)構(gòu)支承布置也較直梁橋復(fù)雜。若曲線梁橋的支承布置不當(dāng)，梁端支座脫空，車輛荷載的偏心引起主梁的扭矩及其變形的增加，嚴(yán)重的甚至?xí)鹬髁毫后w的側(cè)翻等曲線梁橋的病害產(chǎn)生，所以研究掌握曲線梁橋的支承布置對(duì)主梁效應(yīng)的影響就顯得十分有必要了。

1 曲線梁橋分析方法與有限元模型

曲線梁橋常用的分析方法有：解析法和數(shù)值法。解析法類似于用于直線橋的分析方法，概念清楚、計(jì)算簡(jiǎn)單，但是若將其用來分析變截面、變半徑的曲線梁橋則有較大的困難。數(shù)值法能較精確地模擬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，運(yùn)行速度快，有較廣的適用范圍。數(shù)值法包括有限元法、有限殼元法、有線條法，有梁?jiǎn)卧鍤卧蛯?shí)體單元等幾種單元形式[1]。

本文采用TDV RMv8i有限元程序建立曲梁模型，以某互通區(qū)匝道上一座13×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁為例，取第二聯(lián)4×20 m現(xiàn)澆箱梁進(jìn)行建模分析，該橋第二聯(lián)平面位于R=125 m（右偏）的圓曲線上，橋面寬度9 m，主梁采用單箱單室斷面，梁高1.4 m，腹板為斜腹板，腹板水平厚度45 cm，頂板厚25 cm，底板厚22 cm，懸臂長(zhǎng)1.75 cm，懸臂端部厚18 cm，懸臂根部厚45 cm，箱梁內(nèi)腔頂?shù)菇?00×20 cm，底倒角20×20 cm。橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土+10 cm厚C50鋼纖維防水混凝土，橋面兩側(cè)設(shè)置防撞墻，汽車荷載等級(jí)為公路-I級(jí)。箱梁模型采用空間梁?jiǎn)卧矂澐?4個(gè)單元，結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2 曲線梁橋支承布置形式

一般多跨曲線梁橋邊墩或橋臺(tái)一般布置抗扭支承，中間支承布置可分為三類：a）A型，全橋墩、臺(tái)上均設(shè)置抗扭雙支座。b）B型，兩端橋臺(tái)上設(shè)置抗扭雙支座，其余均為單點(diǎn)鉸支承。c）C型，中間橋墩上單點(diǎn)鉸支承與抗扭雙支座兼有[2]。本文擬用7種結(jié)構(gòu)支承布置方案來研究其對(duì)曲線梁橋效應(yīng)的影響，7種結(jié)構(gòu)支承布置方案見表1。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

荷載工況考慮結(jié)構(gòu)自重+二期恒載（防撞墻采用偏心加載）、活載作用，上述荷載均按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)取值。活載布載時(shí)按最不利荷載從曲線梁橋外弧靠防撞墻側(cè)0.5 m處開始布載，方案1～方案7曲率半徑均按R=125 m(右偏)建模時(shí)取用。

表1 曲線梁橋結(jié)構(gòu)支承布置方案

3.1 不同支承形式對(duì)曲線梁橋扭矩效應(yīng)的影響

曲線梁橋在結(jié)構(gòu)自重+二期恒載、活載作用下產(chǎn)生的主梁扭矩見圖2～圖3。

圖2 自重+二期恒載扭矩Mx圖

從圖2可以看出，A型方案1～方案3各墩頂均設(shè)置抗扭支承，設(shè)置偏心前后的扭矩幾乎沒有變化；B型方案4～方案5只在兩頭墩上設(shè)置抗扭支承，設(shè)置偏心前后的扭矩有明顯變化；C型方案6～方案7在兩頭墩和對(duì)稱墩上設(shè)置抗扭支承，設(shè)置偏心前后的扭矩有明顯變化，對(duì)稱墩對(duì)改善梁體扭矩作用明顯。從圖3可以看出，設(shè)置偏心后活載產(chǎn)生的扭矩變化不明顯，而在各墩頂設(shè)置抗扭支承，設(shè)置偏心前后主梁的扭矩幾乎沒有變化。

3.2 不同支承形式對(duì)曲線梁橋扭轉(zhuǎn)變形效應(yīng)的影響

曲線梁橋在結(jié)構(gòu)自重+二期恒載、活載作用下產(chǎn)生的主梁扭轉(zhuǎn)變形見圖4～圖5。

圖4 自重+二期恒載扭轉(zhuǎn)變形Rx圖

圖5 活載扭轉(zhuǎn)變形Rx圖

從圖4可以看出，在結(jié)構(gòu)自重+二期恒載作用下設(shè)置支座偏心距可以減小主梁的扭轉(zhuǎn)變形；支座偏心距不能設(shè)置過大，從方案5、方案7扭轉(zhuǎn)變形曲線可以看出，由于設(shè)置支座偏心距0.2 m，梁體向內(nèi)弧側(cè)扭轉(zhuǎn)；方案1～方案3各墩頂均設(shè)置抗扭支承，方案3設(shè)置支座偏心距對(duì)改善梁體扭轉(zhuǎn)作用不明顯。從圖5可以看出，在活載作用下設(shè)置支座偏心距可以減小主梁的扭轉(zhuǎn)變形；從方案6、方案7扭轉(zhuǎn)變形曲線可以看出，對(duì)稱墩設(shè)置抗扭支承較未設(shè)置抗扭支承對(duì)改善梁體扭矩作用很明顯，有效地限制了梁體向外弧方向扭轉(zhuǎn)；從方案4、方案5（中間各墩頂均設(shè)置點(diǎn)鉸支承）扭轉(zhuǎn)變形曲線可以看出，梁體扭轉(zhuǎn)變形最大值較其他方案大，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視，以防橋梁在活載偏載作用下主梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，下部墩臺(tái)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.3 不同支承形式對(duì)曲線梁橋支座反力效應(yīng)的影響

方案1～方案7支承布置下，支承反力數(shù)值見表2。

表2 支承布置方案1～方案7支座反力 kN

從表2可以看出，在結(jié)構(gòu)自重+二期恒載作用下，方案1、方案2、方案4、方案6未設(shè)置支座偏心，曲線梁橋外側(cè)支座反力大于內(nèi)側(cè)支座反力；方案3、方案5、方案7設(shè)置支座偏心，支座偏心對(duì)自重+二期恒載作用下的支座反力影響較明顯，使曲線梁橋內(nèi)側(cè)支座反力大于外側(cè)支座反力，但內(nèi)外側(cè)支座反力之和基本不變；支座偏心對(duì)活載作用下的支座反力影響不明顯；對(duì)稱墩設(shè)置抗扭支承后，主梁梁端側(cè)內(nèi)外側(cè)支座反力趨向均衡，對(duì)稱墩內(nèi)外側(cè)支座反力之和與同位置單支點(diǎn)反力相比較基本沒有變化。

4 結(jié)語

a）對(duì)于全橋均設(shè)置抗扭支承的情況，設(shè)置支座偏心距對(duì)改善主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)作用不大，而對(duì)于兩端設(shè)置抗扭支承，中間各墩均設(shè)置單點(diǎn)支承的情況，設(shè)置支座偏心距對(duì)改善主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)作用明顯。在設(shè)計(jì)中，支座偏心距的設(shè)置大小，一般使橋兩端外側(cè)支座的正負(fù)扭矩值接近為好。

b）對(duì)稱墩設(shè)置抗扭支承，對(duì)改善主梁的扭轉(zhuǎn)變形作用明顯。在設(shè)計(jì)中，對(duì)于聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)、曲線半徑較小的曲線梁橋，盡可能在全聯(lián)設(shè)置抗扭支承，其對(duì)改善主梁的扭轉(zhuǎn)變形、主梁內(nèi)外側(cè)支座反力分布起到積極的作用。橋墩形式可以采用雙柱式、多柱式、矩形實(shí)體墩、花瓶墩等等形式，可根據(jù)橋址處實(shí)際情況而定。

c）對(duì)于兩端設(shè)置抗扭支承內(nèi)外側(cè)支座反力而言，支座偏心距對(duì)恒載所產(chǎn)生支座反力影響很大，使支座反力重新分布，對(duì)活載所產(chǎn)生支座反力影響不明顯。對(duì)于中間墩設(shè)置單點(diǎn)鉸支承支座反力而言，無論恒載、活載、支座偏心對(duì)支座反力的大小影響不明顯。對(duì)于全橋均設(shè)置抗扭支承內(nèi)外側(cè)支座反力而言，當(dāng)聯(lián)長(zhǎng)較短或橋孔不多時(shí)，可將固定支承放于一端的橋臺(tái)上或分聯(lián)墩上。