異型曲線梁橋支座布置優化研究

劉耀東，譚業偉

（湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北武漢 430068）

0 引言

目前國內互通式立交橋寬度不斷增加，各種彎、坡、斜橋甚至是異型橋梁也不斷出現，異型箱梁橋在荷載的作用下產生彎、剪、扭的耦合作用，結構空間荷載效應明顯，支座各向反力與一般箱梁橋有很大區別［1］。針對異型橋梁設計中各支點處支座橫向間距的研究目前還有很大不足，異型橋支座布置時依靠的主要是一般箱梁橋的設計經驗，難以確定最優的各支點處支座的橫向間距。以邵陽范家山立交工程中的一聯預應力混凝土異型曲線箱梁橋為工程背景，分析了橋梁支座橫向間距的不同對于支座反力和梁體內力的影響，選擇最佳的支座橫向間距，以有利于整體受力。

1 工程概況

邵陽范家山立交工程中右幅橋第八聯箱梁橋的跨徑為3×30 m，該聯橋為異型變寬曲線橋，變寬前為單箱雙室梁截面，橋寬12.8 m，三車道；變寬后為單箱三室梁截面，橋寬逐漸變化至21.6 m，四車道。曲線梁橋曲線半徑為400 m，全部箱梁高2.4 m，懸臂長2 m。未變寬部分各支點處支座橫向間距為4 m，變寬處支點橫向間距為8 m，橋梁平面圖及支座約束布置如圖1所示。

2 研究方法

本文主要分析支座間距調整對于支座反力及內力的影響，采用Midas FEA有限元分析軟件建立實體單元模型進行計算，各支座的模擬采用剛性連接，將實際支座面積內的各節點連接在一起，并對剛性連接主節點施加約束。

根據支座間距不同分為12種工況［2-3］，對比分析方案如下：（1）調整變寬部分支點支座橫向間距，分別為4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，其他支座間距為原設計方案間距；（2）調整未變寬部分支點支座橫向間距，分別為1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m，其他支座間距為原設計方案間距。根據以上支座的橫向間距分別建立有限元模型1至12，篇幅所限模型1至12不一一列出。全橋劃分為22 814個單元，7 186個節點，截面尺寸及混凝土、預應力鋼束的材料屬性均按原設計取用。

荷載考慮如下：（1）恒載：自重+二期恒載；（2）預應力荷載：本文不考慮預應力張拉順序對異型橋的受力影響，按照一次施加全部預應力的方式考慮預應力荷載。

圖1 異型曲線箱梁橋平面及支座布置

為準確分析支座橫向間距的變化對梁體內力的影響，在每個模型上選取7個截面，分別為4個支點處所在截面和每跨跨中截面，并在每個截面上取8個測點，如圖2（a）所示；3#端支點處截面由于截面寬度較大，取12個測點，頂底板分別多取2個測點，如圖2（b）所示。

3 支座橫向間距調整效應分析

3.1 變寬部分支座橫向間距調整模型的受力分析

3#端支座橫向間距調整后，各支點處支座豎向反力差值如圖3所示，從圖中可以看出0#、1#端支點處支座反力差值基本沒有變化，而3#端支點處支座反力差值的變化幅度在間距為9 m前要大于2#支點處支座反力差值的變化幅度，之后則相反，因此當3#端支點處支座橫向間距為9 m時，各個支座的支座反力分布較為均勻。

圖2 截面測點位置

圖3 模型1-6各支點處支座反力差值

表1顯示的是模型1-6各支座順橋向和橫橋向反力值，從計算結果中可以看出當3#端支點處支座橫向間距為6 m時水平支座反力最小，間距為4～10 m時各支座水平反力差距不大，超過10 m后水平反力快速增加。從支座反力角度來看，當3#端支座橫向間距為9 m時，各支座豎向和水平反力值都較為適宜，為最佳橫向間距。

圖4為模型1-6在荷載作用下最大拉壓應力值，從圖中可以看出隨著橫向間距的增大，最大拉壓應力值基本沒有變化。在模型1-6各截面測點的應力值的分析結果中可以發現除了3#端支點處截面的應力值有所變化外，其他截面各測點的應力值基本不隨模型的改變發生變化，故只附3#端支點處截面各測點應力變化圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出3#端支點處支座橫向間距的變化對支座附近梁體的內力還是有影響的，對梁體頂板的影響主要集中在頂板中軸附近，并且間距越大，壓應力越大；對底板的影響則由支座位置決定，越靠近支座附近梁體的應力值越大，離支座越遠，應力值越小，各底板測點最大壓應力值相差不大。綜合來看，3#端支座橫向間距過大會導致支座附近結構頂板壓應力值增大，對底板的影響只是確定應力最大值的位置，而不影響其數值。結合支座反力和3#端支點處截面應力圖可以看出當橫向間距為9 m時反力分布較為均勻，應力值較為適宜。

表1 1-6號模型在荷載作用下順橋向/橫橋以座反力 （單位：kN）

圖4 模型1-6最大拉壓應力值

圖5 3#端支座截面各測點壓應力值

3.2 未變寬部分支座橫向間距調整模型的受力分析

對模型7-12進行有限元計算后，得到各支點處支座豎向反力差值，如圖6所示。從圖中可以看出當橫向間距為6 m時，各支點支座豎向反力差值最小，反力分布最為均勻，最大豎向支座反力值最小；而當橫向間距為5 m時，各支點豎向反力差值與間距為6 m時相差不大，尤其是2#端支點處支座豎向反力差值基本相同，最大豎向支座反力位于2#端支點處，因此橫向間距為5 m和6 m時，支座反力分布得較為均勻。

圖6 模型7-12各支點處支座豎向反力差值

如表2所示，當橫向間距為5 m時，順橋向支座反力最小，當橫向間距為6 m時，橫橋向支座反力最小；橫橋向反力在間距為5 m和6 m時相差不大，順橋向反力則差距很大。因此綜合支座各向支座反力來看，當0#，1#，2#端支點支座橫向間距為5 m時，反力分布較為均勻，水平反力相對最小。

圖7為模型7-12在荷載作用下最大拉壓應力值，從圖中可以看出最大拉應力基本不變化，而最大壓應力值在間距較短時會增大，因此支座橫向間距不宜過短，這樣會造成支座附近出現應力集中現象。

根據模型7-12各截面測點壓應力值可以看出各截面及3#端支點處截面的壓應力值變化不大，圖8—10為各端支點處截面的壓應力值變化圖。從圖中可以看出各支點處截面頂底板測點應力值變化趨勢與模型1-6中3#端支點處截面側點應力值變化趨勢一致，支座橫向間距的增加會導致頂板中線處壓應力值增加，底板各測點應力值則與支座位置有關。綜合支座反力及截面應力變化來看，0#、1#、2#端支點處支座橫向間距取5m時最佳。

表1 7-12號模型在荷載作用下順橋向/橫橋向支座反力 （單位：kN）

圖7 模型7-12最大拉壓應力值

圖8 0#端支點處截面各測點壓應力值

圖9 1#端支點處截面各測點壓應力值

圖10 2#端支點處截面各測點壓應力值

4 結語

（1）適當增大支座橫向間距可以有效改善內外側支座的豎向反力分布及水平反力的大小，該異型箱梁橋變寬端支座的最佳橫向間距為9 m，其他支座的最佳橫向間距為5 m。

（2）支座橫向間距的調整主要改善內外側支座豎向反力的分配，增加橋梁承載上限，減小水平反力，但不會降低總的支座豎向反力。

（3）對于寬度較大的截面，支座橫向間距取略大于底板寬度的1/2較為合理；對寬度較小的截面，支座橫向間距取大于底板寬度的3/4較為合理。

（4）對支座橫向間距的調整對橋梁整體內力的影響很小，主要體現在支座附近梁體結構的內力分布，橫向間距的增加會導致梁體結構頂板中線附近結構應力增大，并影響底板應力集中的位置。

總之，對于異型預應力混凝土曲線箱梁橋，在不明顯改變梁體內力的情況下，可以通過調整支座橫向間距來改善各支點處內外側支座的豎向反力分布，避免橋梁在使用過程中發生因支座受力不均而引起的相關病害。