不同支座布置間距對(duì)橫梁受力的影響

劉 宇，張 杰

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 前 言

近幾十年來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市高架橋是解決我國(guó)城市現(xiàn)階段的擁堵狀況的重要手段。混凝土結(jié)構(gòu)以其整體性好、剛度大、造型靈活、外觀優(yōu)美、造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)今世界土木工程中最主要的結(jié)構(gòu)形式之一。在混凝土結(jié)構(gòu)中，箱形梁截面具有較大的抗彎剛度和較強(qiáng)的抗扭性能，且跨越能力強(qiáng)，適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并適合現(xiàn)代化的施工方式，因此在城市高架尤其是在曲線梁中應(yīng)用廣泛。

由于城市橋梁對(duì)景觀要求較高，下部結(jié)構(gòu)通常采用景觀效果較好的花瓶式橋墩，為保證橋下通透性，或橋下有行車要求時(shí)，花瓶墩的墩身及蓋梁尺寸受限，制約了上部結(jié)構(gòu)橫梁的支座布置形式，如何調(diào)整支座布置間距及個(gè)數(shù)，保證支座布置受限情況下的橫梁受力要求值得探討。

2 工程概況

本文結(jié)合某(3×40)m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁城市高架橋進(jìn)行支座布置形式分析，橋梁概況如下，該橋橋面寬度為23.7 m，梁高2.2 m，懸臂寬度為2.35 m，底板寬度為19.0 m，中支點(diǎn)橫梁寬度為2.5 m，橋面兩側(cè)各布置4.35 m人行道，中間行車道為15 m，按雙向4車道設(shè)計(jì)，橋面布置及支點(diǎn)處橫梁斷面尺寸如圖1所示。該橋下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩，由于橋墩蓋梁尺寸受限，設(shè)計(jì)中需對(duì)該橋支座布置形式進(jìn)行分析，實(shí)橋中橫梁采用3支座布置。

圖1 橋面布置及支點(diǎn)斷面尺寸(cm)

3 橫梁模型建立

本文在橫梁受力分析時(shí)，借助橋梁博士4.1計(jì)算軟件建立橫梁簡(jiǎn)化模型，橫梁斷面按矩形計(jì)，取2.5 m寬。橫梁加載參見相關(guān)文獻(xiàn)研究并進(jìn)行簡(jiǎn)化，將主梁恒載按80%腹板集中力和20%的頂板均布荷載的形式進(jìn)行分配，其中均布荷載加載范圍為兩側(cè)邊腹板中間段，懸臂段考慮相應(yīng)橫梁自重及人行道自重；人群荷載采用與恒載相似加載方式，但其中20%均布荷載加載范圍取橋面全寬；汽車荷載根據(jù)全橋換算車載系數(shù)在行車道范圍內(nèi)進(jìn)行橫向移動(dòng)加載。

本文根據(jù)橫梁支座布置形式，建立4類工況橫梁模型，支座沿橫梁縱向?qū)ΨQ布置，其中工況1～工況3，按3支座布置，支座間距分別為6.5 m、7.5 m、8.5 m；工況4按4支座布置，支座間距為5.5 m。其中工況1有限元模型如圖2所示。

圖2 工況1橫梁有限元模型

4 結(jié)果分析

該高架橋橫梁按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算得知，彎矩、剪力等因具有較高的安全富余而不作為橫梁的控制設(shè)計(jì)條件，最小裂縫寬度往往成為橫梁的控制設(shè)計(jì)條件。此外，對(duì)于多支座布置橫梁，由于支座布置個(gè)數(shù)、位置的不同，各支座支反力大小分布不均，導(dǎo)致支座選型因最大支反力的不同而引起差異。因此，本文將著重對(duì)橫梁的裂縫寬度及支座反力效應(yīng)進(jìn)行分析，以便得出合理的支座布置方式。

4.1 橫梁裂縫效應(yīng)分析

橫梁邊支點(diǎn)頂緣、中支點(diǎn)頂緣及支點(diǎn)跨間截面底緣裂縫寬度如圖3所示。

圖3 橫梁控制截面裂縫寬度

由圖3可見，當(dāng)橫梁布置3個(gè)支座，支座間距為6.5 m時(shí)，邊、中支點(diǎn)頂緣最大裂縫寬度分別為0.216 mm、0.026 mm，邊支點(diǎn)頂緣裂縫寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中支點(diǎn)頂緣裂縫寬度，并大于規(guī)范限值0.2 mm的要求。分析可知，對(duì)于該模型，邊支點(diǎn)頂緣裂縫寬度僅跟邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度值有關(guān)，當(dāng)支座間距為6.5 m時(shí)，該值達(dá)5.35 m，邊支點(diǎn)處杠桿效應(yīng)明顯，致使邊支點(diǎn)頂緣處出現(xiàn)較大的裂縫，相反，中支點(diǎn)頂緣裂縫寬度則較小。

當(dāng)支座布置個(gè)數(shù)仍為3個(gè)，而支座間距分別增大至7.5 m及8.5 m時(shí)，邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度分別為4.35 m、3.35 m，此時(shí)邊支點(diǎn)頂緣的裂縫寬度分別減小至0.129 mm、0.049 mm，中支點(diǎn)頂緣的裂縫寬度分別增大至0.081 mm、0.143 mm。隨著支座布置間距的線性增大，邊支點(diǎn)頂緣裂縫寬度線性減小，而中支點(diǎn)頂緣裂縫寬度線性增大，邊、中支點(diǎn)跨間截面底緣的裂縫寬度變化規(guī)律與中支點(diǎn)頂緣裂縫寬度類似。結(jié)果表明，當(dāng)支座布置間距線性增大時(shí)，邊支點(diǎn)處的杠桿效應(yīng)逐漸減弱，導(dǎo)致邊支點(diǎn)頂緣裂縫寬度逐漸減小，而中支點(diǎn)頂緣裂縫寬度逐漸增大，且當(dāng)支座間距為7.5 m時(shí)，邊支點(diǎn)頂緣裂縫寬度與中支點(diǎn)頂緣裂縫寬度差值百分比為37.5%，較支座間距為6.5 m、8.5 m時(shí)的87.9%、-191.8%時(shí)小(正值表示減小，負(fù)值表示增大)。可見，存在一個(gè)最小支座間距，使得邊支點(diǎn)頂緣的裂縫寬度低于規(guī)范限值0.2 mm；存在一個(gè)裂縫最優(yōu)支座間距，使得邊、中支點(diǎn)頂緣的裂縫寬度相等，根據(jù)線性差值可知，該橋最小支座間距為6.70 m，即須保證邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度最小值為5.15 m，而裂縫最優(yōu)支座間距為7.84 m。

而當(dāng)橫梁按4支座布置，布置間距為5.5 m時(shí)，邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度為3.60 m，該值為各工況中最小，此時(shí)邊、中支點(diǎn)頂緣及支點(diǎn)跨中截面底緣的裂縫寬度均較小，最大值僅為0.085 mm，且各位置處最大裂縫值相當(dāng)。

可見，當(dāng)支座布置個(gè)數(shù)相同，為控制邊支點(diǎn)頂緣的裂縫寬度，且使得邊支點(diǎn)頂緣與中支點(diǎn)頂緣的裂縫寬度相當(dāng)并處于合理值范圍，可采取減小邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度值的措施，也即增大支座間距。但相較于增加支座間距，通過增加支座個(gè)數(shù)以減小邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度來控制橫梁裂縫寬度效果更加明顯。

4.2 橫梁支座反力效應(yīng)分析

橫梁邊支點(diǎn)及中支點(diǎn)在荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合下支反力大小如圖4所示。

圖4 邊、中支點(diǎn)支反力值

由圖4可見，當(dāng)橫梁布置3個(gè)支座，支座間距為6.5 m時(shí)，邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)最大支反力分別為14 276.5 KN、7 466.3KN，支座間距分別增大至7.5 m、8.5 m時(shí)，邊支點(diǎn)最大支反力分別減小至11 924.3 KN、10 038.7 KN，而中支點(diǎn)的最大支反力分別增大至11 844.1 KN、15 376.7 KN。分析可知，當(dāng)支座布置個(gè)數(shù)相同，隨著支座間距的增大，邊支點(diǎn)最大支反力線性減小，中支點(diǎn)支反力線性增大。對(duì)于本橋模型，布置3支座時(shí)，支座間距為7.5 m可使邊、中支座支反力值相當(dāng)，二者差值僅為0.67%。由于邊、中支點(diǎn)反力值與邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度與支座跨間長(zhǎng)度的比值相關(guān)，當(dāng)支座間距為7.5 m時(shí)，該比值為0.58，也即對(duì)三支座布置橫梁，為使邊、中支點(diǎn)最大反力值相當(dāng)，可控制邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度與支座跨間長(zhǎng)度的比值在0.58附近。

而當(dāng)橫梁布置4個(gè)支座，支座間距為5.5 m時(shí)，邊、中支點(diǎn)的最大支反力分別為9 105.1 KN、8 843.4 KN，二者相差也較小，差值為2.87%，但其最大值分別較布置3支座、支座間距為7.5 m時(shí)小23.6%、25.3%。該種支座布置方式不僅可減小支座使用型號(hào)，還使下部結(jié)構(gòu)受力更為有利。

5 結(jié) 論

(1)為控制邊支點(diǎn)頂緣裂縫寬度小于規(guī)范值，邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度最小值為5.15 m。

(2)對(duì)3支座布置橫梁，為使邊、中支點(diǎn)最大反力值相當(dāng)，可控制邊支點(diǎn)距橋面端部的懸臂長(zhǎng)度與支座跨間長(zhǎng)度的比值在0.58附近。

(3)對(duì)本文分析模型，結(jié)合裂縫寬度、支座反力分析結(jié)果及相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采用3支座布置時(shí)，支座間距采用7.5 m較為合理。

(4)當(dāng)支座布置未受限制時(shí)，橫梁布置4支座較3支座對(duì)控制橫梁裂縫寬度、支反力大小及下部結(jié)構(gòu)受力更為有利。