基于支座預偏心設置下曲線梁橋設計研究

沈東強

摘 要：曲線梁橋面臨著梁體傾覆、支座脫空等病害。本文采用Midas/Civil有限元軟件建模分析支座預偏心量對曲線梁橋受力和位移的影響。分析結果表明，支座預偏心設置對梁端內外側支座支反力起到了重分布的作用，且能改善扭矩在梁體內的分布情況，為工程設計提供理論依據(jù)。

關鍵詞：曲線梁橋;支座預偏心;獨柱墩;支反力

0 引言

近年以來，隨著城市軌道交通的大力建設，橋梁面臨的交通運輸壓力以及功能需求也日益增大。因此，曲線橋梁以其獨特的轉向功能、對地形空間需求小等優(yōu)點受到設計師的廣泛關注。在設計手段欠缺和有限元軟件匱乏的年代，通常采用“以直代曲”的方法來調整橋梁平面曲線[1]。曲線梁橋使橋梁建筑與周圍自然美景融為一體，大大提升了橋梁的美學造詣[2]。

與直線梁橋相比，曲線梁橋主梁彎-扭耦合效應[3]顯著。受到橋下凈空等因素影響，中間墩往往采用獨支座設計，由此便增加了扭矩在梁體內的一個傳力長度[4]，導致梁端部需要采用更強的抗扭約束。另外，不合理的支座布置形式還會導致梁體偏轉、側移、支座脫空等病害的發(fā)生。

1 支座預偏心設置

1.1 曲線梁橋病害

首先，由于梁體內外兩側曲線長度不同，自重無法平衡，在自重的作用下會在固結中支墩處產(chǎn)生徑向彎矩，使墩臺受拉，墩身出現(xiàn)開裂[5]。其次，在重力和系統(tǒng)升溫共同作用下，梁體會產(chǎn)生向外側的線位移，當其累積到一定量時，梁體有發(fā)生傾覆的危險[6]。

1.2 曲線梁橋支座預偏心設置的必要性

曲線梁橋在恒載的作用下，會因截面體積重心的偏心而產(chǎn)生沿梁長分布的均布扭矩，且曲線半徑越小，效應越發(fā)明顯[3]。對于不設置支座偏心的曲線梁橋，在梁端附近扭矩最大。而支座預設偏心后，預偏心支座處的豎向反力對梁剪切中心產(chǎn)生的附加偏心力矩在邊跨達到最大[7]，且方向與無偏心設置時的梁端扭矩相反，大大改善了結構的扭矩分布情況，使梁端扭矩峰值大大減小。

2 工程實例

2.1 工程概況

陜西某等截面曲線連續(xù)梁橋四跨一聯(lián)，每跨20 m，曲率半徑為75 m，單幅橋面總寬10.8 m，凈寬8.75 m，箱梁高度1.2 m。采用獨柱式墩、肋式橋臺和樁基礎，設計荷載：汽車-超20級，掛車-120;地震烈度：7度，梁體截面尺寸如圖1所示。

3 數(shù)值計算模型

本文采用橋梁專業(yè)軟件Midas/Civil對該單聯(lián)四跨橋進行有限元建模。全橋共計98個節(jié)點，90個單元，7個彈性連接，7個剛性連接。P1、P3支座布置預偏心范圍為0 m～0.25 m，每組工況以0.05 m為間隔布設偏心支座，簡化模型如圖2所示。

4 計算結果分析

4.1 支座反力

在自重作用下，P1、P3預設不同的偏心距時支座反力的大小見表1。

從表1可以看出，支座預設偏心對橋梁端部支反力差值過大的情況有所改善。在支座偏心距設置為0 m～0.15 m這個區(qū)間，橋梁端部外側支座支反力逐漸減小，而內側支座支反力在逐漸增大，內外側支座支反力逐漸趨于相等，當偏心距預設為0.15 m時，二者大小基本一致，使支座反力得到重新分配。

4.2 扭矩

如圖3～4所示，在一定范圍內適當增加支座的偏心距可以有效降低曲線梁橋端部的扭矩，使得梁端在自重作用下受到過大扭矩的情況有所改善。增加支座偏心距使得梁體端部扭矩整體向下平移，在偏心距設置為0.15 m（圖4）時，梁端幾乎不受到扭矩作用。而當進一步增加偏心距時，梁端又會受到一個與之前方向相反的扭矩。

在自重作用下，端支座反力差值和扭矩與偏心距近似呈線性相關。在支座偏心距設置在0 m～0.15 m這個區(qū)間內時，增大偏心距可使得內外側支座支反力差值減小，使得反力得到了重分配，同時梁端扭矩也逐漸減小，對曲線梁橋受力也更加有利。需要注意的是，當支座偏心距設置超過0.15 m時，內側支座支反力會大于外側，同時曲線梁橋端部形成一個與未設置支座預偏心情況下方向相反的扭矩，有向外側傾覆的風險。

4.3 彎矩

從上述計算圖示可以看出，在自重作用下，曲線梁橋全橋受彎情況受支座預偏心影響較小，相比于未設置預偏心支座，支座預偏心0.15 m時的橋梁的彎矩僅增長了0.87%，僅與自身受力情況相關。綜上所述，曲線梁橋支座偏心與否，不影響全橋的受力情況。

5 結論

經(jīng)過對不同支座偏心量下，曲線梁橋受力和位移的研究，本文得出以下結論：

（1）在0 m～0.15 m這個范圍內，增大支座預偏心量會減小外側支座支反力同時增大內側支座支反力，并逐漸使二者趨于同一水平，達到支反力重分布的作用。

（2）調整支座預偏心量會起到改善扭矩在橋梁段分布的作用，降低梁端抗扭支座處扭矩大小，當支座預偏心量為0.15 m時，改善效果最佳。

（3）獨柱墩中支座曲線梁橋設置預偏心量對全橋的彎矩影響幅度很小，基本可以忽略。

（4）中間采用獨柱墩設計的曲線梁橋經(jīng)常發(fā)生失穩(wěn)事故，在設計時，應合理設計支座預偏心度，提高曲線梁橋抗傾覆的能力。

參考文獻：

[1]趙成功，王小冬，楊德厚，等.既有中小跨徑曲線梁橋梁體徑向爬移機理分析[J].中外公路，2018，38（3）：162-167.

[2]弗里茨·萊昂哈特.橋梁建筑藝術與造型[M].徐興蘭，高言法，姜維龍，譯.北京：人民交通出版社，1988：33-35.

[3]何維利.獨柱支承的曲線梁橋設計[J].北京建筑工程學院學報，2001，17（4）：23-28.

[4]鮮李，奉龍成.支座預偏心設置對曲線梁橋受力性能的影響[J].公路交通技術，2014（10）：62-66.

[5]鄭國華.支座預偏心對曲線梁橋結構受力性能影響的研究[J].工程與建設，2012，26（6）：775-776+786.

[6]姜愛國，楊志.獨柱墩曲線梁橋傾覆軸線研究[J].世界橋梁，2013，41（4）：58-61.

[7]劉海桃.獨柱支承曲線梁橋中支座預偏心設置研究[J].交通科技，2011（5）：1-3.