曲線連續(xù)梁橋支承布置形式對(duì)主梁結(jié)構(gòu)扭矩的影響分析

謝 瑋

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶市400041）

0 引 言

近年來(lái)隨著中國(guó)城市立交建設(shè)的迅速發(fā)展，曲線梁橋結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。曲線連續(xù)梁橋主梁的平面彎曲造成了曲線梁橋的受力狀態(tài)與直橋有著很大差別，構(gòu)成了其獨(dú)有的受力特點(diǎn)。城市立交中，大部分匝道橋都為小半徑的曲線梁橋，個(gè)別橋梁平曲線最小半徑小于30 m。在滿足匝道寬度的前提下，上部結(jié)構(gòu)截面的選取比直線梁橋多出結(jié)構(gòu)抗扭這一項(xiàng)特殊要求，箱梁截面在這方面就體現(xiàn)了其優(yōu)越性。

1 工程實(shí)例

以重慶黃沙溪立交E 匝道橋作為工程實(shí)例，該匝道橋?yàn)樗目邕B續(xù)曲線梁橋，跨徑（29.5+36.5+29.5+29.5）m，曲線半徑46.5 m，斷面形式采用單箱雙室箱梁，梁高1.7 m，箱梁頂板寬10.7 m，底板寬6.7 m，翼緣寬2.0 m。橋梁平面圖如圖1 所示。

2 曲線梁橋的主要支承形式

曲線梁橋的抗扭支承多由兩個(gè)或兩個(gè)以上的橫橋向板式或盆式支座組成。不同的支承方式，其上部結(jié)構(gòu)扭矩大小不同，根據(jù)其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)一般采用的支承方式如下：

（1）在曲線梁橋兩端的橋臺(tái)或分聯(lián)處采用兩點(diǎn)或多點(diǎn)支承的支座，即設(shè)置抗扭支座，這種支承方式可有效提高主梁的橫向抗扭性能，保證其橫向穩(wěn)定性。

圖1 E 匝道結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

（2）在曲線梁橋的中墩支承處可采用的支承形式很多，應(yīng)根據(jù)其平面曲率、跨徑、墩柱截面和墩柱高度及預(yù)應(yīng)力鋼束作用力的不同來(lái)合理選用支承方式。

經(jīng)常采用的支承方式如下：

（1）單柱式點(diǎn)鉸支承。這種支座可根據(jù)其受力需要固定或放開(kāi)某方向的水平約束，但是這種支座對(duì)主梁的扭轉(zhuǎn)沒(méi)有約束，這時(shí)主梁在橫向和縱向可自由扭轉(zhuǎn)。為了調(diào)整梁內(nèi)扭矩沿橋縱向分布，可在中支墩的點(diǎn)鉸支承處，給以一定的橫向預(yù)偏心，從而人為地控制沿梁長(zhǎng)方向梁內(nèi)的扭矩峰值。而中墩點(diǎn)鉸預(yù)偏心的方法只是起到內(nèi)力重分配的效果，并不能起到抵消扭矩的作用。

（2）雙柱中墩或設(shè)置雙點(diǎn)支承。這種支承方式對(duì)主梁可提供較大的扭轉(zhuǎn)約束。在主梁的自重作用下，扭矩值較單點(diǎn)支承時(shí)的值小得多，雙點(diǎn)支承可有效減小主梁自重扭矩；但是雙點(diǎn)支承時(shí)，預(yù)應(yīng)力作用下，扭矩值較單點(diǎn)支承的值增大很多，而且扭矩分布規(guī)律也發(fā)生了變化，說(shuō)明雙點(diǎn)支承增大了主梁預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩。

（3）獨(dú)柱墩頂與梁固結(jié)的方式，墩柱可承擔(dān)一部分主梁扭矩，對(duì)主梁的扭轉(zhuǎn)變形有一定約束。

3 不同支承形式對(duì)上部主梁結(jié)構(gòu)扭矩影響

采取不同的支承方式對(duì)曲線主梁結(jié)構(gòu)的受力影響很大，主要影響主梁的扭矩值和扭矩沿梁縱向的分布規(guī)律，以及主梁的扭轉(zhuǎn)變形。針對(duì)不同的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)選用對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利的支承方式。

3.1 計(jì)算工況

針對(duì)重慶黃沙溪立交E 匝道橋，為分析不同支承形式對(duì)主梁扭矩的影響，分別選取了四種支承形式進(jìn)行計(jì)算分析。

工況一：中墩8e、9e、10e 處均采用單個(gè)支座，支座位置在箱梁底中心，未設(shè)置預(yù)偏心。

工況二：中墩8e、9e、10e 處均采用單個(gè)支座，設(shè)置預(yù)偏心250 mm。

工況三：中墩8e、9e 處墩梁固結(jié)，且橋墩中心線相對(duì)于箱梁底中心位置外偏250 mm，10e 處采用單個(gè)支座，設(shè)置預(yù)偏心250 mm。

工況四：中墩8e、9e、10 e 處設(shè)置抗扭支座。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

本文計(jì)算采用橋梁博士V3.1.0 計(jì)算軟件進(jìn)行分析，得出四種工況的扭矩包絡(luò)圖。

工況一：在8e、9e、10e 設(shè)置單個(gè)支座的截面附近，上部箱梁的扭矩值較小，而大部分扭矩傳遞到左端蓋梁和右端橋臺(tái)處（見(jiàn)圖2）。

圖2 工況一扭矩包絡(luò)圖（中墩設(shè)單支座，不偏心）

工況二：支座設(shè)置偏心后，扭矩包絡(luò)圖在中間支點(diǎn)處發(fā)生了錯(cuò)位移動(dòng)，使得全橋的扭矩沿橋梁縱向重新分配，而且趨于均勻。左端蓋梁分縫處及右端橋臺(tái)處的扭矩峰值大大削減（見(jiàn)圖3）。

圖3 工況二扭矩包絡(luò)圖（中墩設(shè)單支座，預(yù)偏心250 mm）

工況三：該橋采用的支承形式。由于橋?qū)捿^窄，且曲線半徑很小，在上部結(jié)構(gòu)自重、汽車(chē)偏載，尤其在預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力的作用下，主梁橫向扭矩和扭轉(zhuǎn)變形很大，因此采用獨(dú)柱墩。較高的8e、9e 軸處橋墩采用墩梁固結(jié)形式，用以抵抗部分上部結(jié)構(gòu)的扭矩及扭轉(zhuǎn)變形，增強(qiáng)整體橫向穩(wěn)定性。較低的10e 軸墩處采用具有較弱抗扭能力的單點(diǎn)支承的方式，這樣可有效降低墩柱的彎矩和減小主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形，這兩種支承方式的橫向位置均進(jìn)行了偏心調(diào)整。此種支承方式扭矩沿橋縱向分配比較均勻，各控制截面的扭矩也相對(duì)比較接近。而且和單鉸支承相比較，設(shè)置兩個(gè)固結(jié)墩則能更有效地減小主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形（見(jiàn)圖4）。

圖4 工況三扭矩包絡(luò)圖（8e、9e 墩固結(jié)，10e 設(shè)單支座，都偏心250 mm）

工況四：在中墩設(shè)置抗扭支承，可以有效抵抗上部傳來(lái)的扭矩，結(jié)構(gòu)主梁扭矩總和減小。抗扭支座的設(shè)置實(shí)際上是對(duì)上部箱梁的扭矩起到了很大的約束作用。箱梁扭矩重新分配后，各控制截面的扭矩亦比較均勻，而且控制扭矩相對(duì)較小。但是從橋梁美觀角度上來(lái)說(shuō)，該聯(lián)匝道橋橋?qū)捿^窄，曲率也很小，如果在中墩處設(shè)置蓋梁或者寬墩來(lái)放置雙支座勢(shì)必會(huì)影響橋梁的整體美感，降低橋下的通透性。而且從經(jīng)濟(jì)性考慮，與獨(dú)墩固結(jié)形式相比，設(shè)計(jì)最終采用了獨(dú)墩固結(jié)形式（見(jiàn)圖5）。

圖5 工況四扭矩包絡(luò)圖

4 主梁截面抗剪扭驗(yàn)算

根據(jù)扭矩內(nèi)力包絡(luò)圖結(jié)果，按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）對(duì)不利截面進(jìn)行了截面抗剪扭驗(yàn)算，并與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 年版）》（GB 50010—2010）計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

4.1 通過(guò)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（J TG 3362—2018）進(jìn)行驗(yàn)算

（1）箱形截面受扭構(gòu)件的截面受扭塑性抵抗矩。以8e 左側(cè)6.25 m 處為控制截面驗(yàn)算剪' 扭，計(jì)算時(shí)應(yīng)滿足h≥b，否則h 與b 應(yīng)互換：

（2）矩形和箱形截面承受彎、剪、扭的構(gòu)件，其截面應(yīng)符合下列公式要求：

（3）矩形和箱形截面承受彎、剪、扭的構(gòu)件，當(dāng)截面符合下列條件時(shí)，可不進(jìn)行構(gòu)件的抗扭承載力計(jì)算，僅需配置構(gòu)造鋼筋：

（4）矩形和箱形截面剪扭構(gòu)件，其抗剪扭承載力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

4.2 通過(guò)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 年版）》（GB 50010—2010）進(jìn)行驗(yàn)算

（1）箱形截面受扭構(gòu)件的截面受扭塑性抵抗矩。以8e 左側(cè)6.25 m 處為控制截面驗(yàn)算剪扭，計(jì)算時(shí)應(yīng)滿足h≥b，否則h 與b 應(yīng)互換：

（2）箱形截面承受剪、扭的構(gòu)件，其截面應(yīng)符合下列公式要求：

（3）箱形截面剪扭構(gòu)件，其抗剪扭承載力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

（4）剪扭構(gòu)件抗剪承載力按下列公式計(jì)算：

4.3 對(duì)比結(jié)果

通過(guò)以上《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 年版）》（GB 50010—2010）的計(jì)算結(jié)果可以看出，前者對(duì)剪扭構(gòu)件的抗剪扭截面要求比后者更趨于保守，而且對(duì)抗剪和抗扭強(qiáng)度驗(yàn)算也相對(duì)于后者規(guī)范要求更加嚴(yán)格。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用雙點(diǎn)支承時(shí)，在主梁的自重作用下，扭矩值較單點(diǎn)支承時(shí)的值小得多，雙點(diǎn)支承可有效減小主梁自重扭矩；但是雙點(diǎn)支承時(shí)，預(yù)應(yīng)力作用下，扭矩值較單點(diǎn)支承的值增大很多，而且扭矩分布規(guī)律也發(fā)生了變化，說(shuō)明雙點(diǎn)支承增大了主梁預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩。而自重與預(yù)應(yīng)力荷載的合成扭矩則因橋而異。

（2）在單柱式點(diǎn)鉸支承的曲線連續(xù)梁橋中，上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的扭矩是不會(huì)通過(guò)這些點(diǎn)鉸支承傳到基礎(chǔ)去的，而一般都是由橋的兩端通過(guò)設(shè)置抗扭支承的橋臺(tái)來(lái)傳遞扭矩的，所以中支點(diǎn)的作用只是起到減小彎曲長(zhǎng)度的作用。為了調(diào)整梁內(nèi)扭矩沿橋縱向的分布，可在中支墩的點(diǎn)鉸支承處，給以一定的橫向預(yù)偏心，從而人為地控制沿梁長(zhǎng)方向梁內(nèi)的扭矩峰值。而中墩點(diǎn)鉸預(yù)偏心的方法只是起到內(nèi)力重分配的效果，并不能起到抵消扭矩的作用。

（3）在中墩獨(dú)柱墩梁固結(jié)的曲線連續(xù)梁橋中，雖然墩柱可承擔(dān)一部分主梁扭矩，對(duì)主梁的扭轉(zhuǎn)變形有一定約束，但是為了調(diào)整梁內(nèi)扭矩沿橋縱向的分布、控制扭矩峰值，也應(yīng)適當(dāng)考慮將固結(jié)墩在橋梁橫向設(shè)置一定的預(yù)偏心。但是預(yù)偏值要恰當(dāng)，如果設(shè)置過(guò)大，反而會(huì)使扭矩沿箱梁縱向分布更不均勻，而導(dǎo)致適得其反。

另外，曲線連續(xù)箱梁橋下部支承形式的選取并不是一概而論的，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)安全性、橋梁美觀性及經(jīng)濟(jì)性等，確定最合理的支承形式。