小半徑鋼箱梁橋整體穩(wěn)定分析

吳新強(qiáng) （合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高架橋、大型互通立交橋如雨后春筍般拔地而起。由于受地形、管線以及用地面積的限制，涌現(xiàn)出大量的小半徑曲線橋梁。鋼箱梁因具有良好的抗彎性能、可靠的抗扭性能和較大的跨越能力，在用地受限的城市橋梁設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用[1]。但自重較小，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較差。在工程實(shí)際中，小半徑曲線梁橋常出現(xiàn)諸如梁體向曲線外側(cè)徑向位移、梁體曲線內(nèi)側(cè)支座脫空等病害，甚至發(fā)生梁體整體傾覆事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。故小半徑曲線梁橋整體穩(wěn)定性越來(lái)越受到重視。規(guī)范[2]4.1.8條：持久狀況下，梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足下列規(guī)定：①在基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；②在作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí)，整體式截面簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)定要求。

2 曲線梁橋整體穩(wěn)定概述

與直線梁橋相比，由于曲線梁橋始終處于彎扭耦合作用下，其在結(jié)構(gòu)受力上有顯著特征：在直橋中，只有當(dāng)荷載偏心時(shí)才產(chǎn)生扭矩，而在曲線梁橋中，無(wú)論荷載是否偏心都有彎矩和扭矩產(chǎn)生，由于扭矩的作用，曲梁外側(cè)加載內(nèi)側(cè)減載，使得梁體外側(cè)的撓度大于內(nèi)側(cè)的撓度，外側(cè)的彎曲應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)的彎曲應(yīng)力[3]。這種狀況反映到支座反力上，外側(cè)支座反力顯著大于內(nèi)側(cè)，在可變荷載（活載、溫度等）作用下，內(nèi)側(cè)支座甚至出現(xiàn)負(fù)反力，導(dǎo)致支座脫空，這是傾覆過(guò)程的開(kāi)始，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化。

目前，保證曲線梁橋整體穩(wěn)定的措施主要有設(shè)置支座預(yù)偏心、采用抗扭型支承、梁端配重等。采用不同的支承方式，對(duì)曲線梁橋上下部?jī)?nèi)力影響較大。對(duì)于彎梁橋，中間支承一般分為2種類(lèi)型：抗扭性支承（多支點(diǎn)或墩梁固結(jié)）和單點(diǎn)鉸支承[4]。由于扭矩不能通過(guò)單點(diǎn)鉸支承傳遞至下部結(jié)構(gòu)，只能通過(guò)曲梁兩端抗扭支承來(lái)傳遞，從而導(dǎo)致梁體產(chǎn)生過(guò)大扭矩，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。故小半徑曲線梁橋應(yīng)盡量避免設(shè)計(jì)單支座。

本文通過(guò)一工程實(shí)例，探討不同支承方式下，小半徑曲線鋼箱梁橋支座反力的特點(diǎn)，并結(jié)合局部配重，分析曲線梁橋整體穩(wěn)定的合理措施。

3 小半徑鋼箱梁橋?qū)嵗?/h2>

3.1 工程概況

某匝道橋位于半徑90m的圓曲線上，超高橫坡2%，跨徑布置為3×30m，梁高1.8m，采用單箱單室斜腹板鋼箱梁，箱梁頂板寬9.5m，底板寬4.8m，懸臂長(zhǎng)度1.7m。中墩及邊墩均采用雙支座，支座間距2.4m。

3.2 計(jì)算模型

采用有限元軟件MIDAS Civil2017建立空間分析模型。主梁采用單梁進(jìn)行模擬，支座按實(shí)際位置建立節(jié)點(diǎn)，并與主梁節(jié)點(diǎn)剛性連接。如圖1模型一所示，邊中墩均采用雙支座抗扭支承。

圖1 模型一

圖2 模型二

為了進(jìn)行比較，將2號(hào)墩抗扭支承改為柔性固結(jié)墩建立模型二，判斷墩梁固結(jié)情況下支反力特點(diǎn)。

4 不同情況下的支座反力

4.1 不設(shè)支座預(yù)偏心

圖3 不設(shè)支座預(yù)偏心模型一恒載作用下反力

圖4 不設(shè)支座預(yù)偏心模型二恒載作用下反力

圖3、圖4表明：恒載作用下當(dāng)支座關(guān)于結(jié)構(gòu)中心線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，中墩處支座反力基本相當(dāng)，邊墩處支座反力相差較大。

圖5 不設(shè)支座預(yù)偏心模型一基本組合下最小反力

圖6 不設(shè)支座預(yù)偏心模型二基本組合下最小反力

圖5、圖6表明：采用2號(hào)墩固結(jié)的約束方式，3號(hào)中墩內(nèi)外支座的負(fù)反力增加約140kN，4號(hào)邊墩負(fù)反力相差不大，1號(hào)邊墩相差較大。單從反力表現(xiàn)來(lái)看，墩梁固結(jié)方案并不有利。并且墩梁固結(jié)構(gòu)造及受力均較為復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)處應(yīng)進(jìn)行空間分析。實(shí)際工程中常出現(xiàn)墩梁固結(jié)處在立柱頂部產(chǎn)生水平環(huán)形裂縫。故下面的探討以中墩采用雙支座抗扭支承（模型一）為基礎(chǔ)。

4.2 設(shè)置支座預(yù)偏心

小半徑曲線梁橋應(yīng)合理設(shè)置支座預(yù)偏心，以重新分配曲梁恒載扭矩達(dá)到平衡，減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形，避免負(fù)反力的出現(xiàn)。

根據(jù)曲率半徑大小、橋梁跨徑，支座預(yù)偏心一般采用10～40cm。通過(guò)試算，本橋中墩雙支承往曲線外側(cè)偏移20cm較為合理。

圖8 設(shè)置支座預(yù)偏心基本組合下最小反力

圖7、圖8表明：中墩設(shè)置支座預(yù)偏心對(duì)中墩雙支座反力影響較大，恒載作用下內(nèi)側(cè)支反力增加，等于在內(nèi)側(cè)支座預(yù)加了荷載，這樣在基本組合下中墩雙支座無(wú)負(fù)反力出現(xiàn)，并且有一定富余。但恒載作用和基本組合下邊墩支反力無(wú)變化。

4.3 設(shè)置梁端配重

由4.2節(jié)可知，中墩設(shè)置支座預(yù)偏心對(duì)邊墩支座負(fù)反力無(wú)改善，此時(shí)一般通過(guò)梁端配重方式來(lái)消除邊墩支座負(fù)反力。本橋配重采用鐵砂混凝土，容重40 kN/m3，在聯(lián)端3.5m長(zhǎng)度范圍全斷面配重。

圖9 設(shè)置梁端配重恒載作用下反力

圖10 設(shè)置梁端配重基本組合下最小反力

圖9、圖10表明：采用梁端配重方式可有效改善邊墩支座受力狀況，消除負(fù)反力。

基本組合下邊墩內(nèi)外側(cè)支反力差值較大，此時(shí)可通過(guò)邊墩設(shè)置支座預(yù)偏心來(lái)調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖11、圖 12。

圖11 設(shè)置邊墩支座預(yù)偏心恒載作用下反力

圖12 設(shè)置邊墩支座預(yù)偏心基本組合下最小反力

如果要提高中墩處支反力的安全儲(chǔ)備，可在中橫梁處局部壓重。

在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)，然后可按作用標(biāo)準(zhǔn)值組合進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算，限于篇幅本文不再論述。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工程實(shí)踐及上文分析，關(guān)于小半徑曲線鋼箱梁橋整體穩(wěn)定，可得出以下結(jié)論：

①中墩墩梁固結(jié)的約束方案在控制支座負(fù)反力方面并不有利，由于結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜性，在采取這一措施前，應(yīng)先驗(yàn)算下部結(jié)構(gòu)，保證墩頂與梁底固結(jié)面積足夠；

②設(shè)置支座預(yù)偏心、配重等是曲線梁橋整體穩(wěn)定常用措施，并且不止中墩可以設(shè)置支座預(yù)偏心，邊墩也可以，梁端配重方式也很靈活，在寬度方向可采用全斷面配重、半斷面配重，在高度方向可全高配重、半高配重等，這些措施不是獨(dú)立的，經(jīng)常是組合使用，以得到最優(yōu)方案；

③拉大支座間距尤其是邊墩支座間距是增強(qiáng)抗扭能力，避免支座脫空的有效措施。有時(shí)受占地限制及橋墩外形統(tǒng)一的考慮，增加支座間距不是首選方案。

由于曲率半徑、橋梁跨度、寬度等具體情況各不相同，應(yīng)輔助一定的有限元計(jì)算，從而得出曲線梁橋整體穩(wěn)定的合理措施。