基于相似原理的彎梁橋內外側支反力差異性模型試驗研究

張景春

（廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著我國高速公路網及城市快速路的建設，大量的彎梁橋需要修建。箱梁由于具有整體性強、抗扭剛度大等良好的力學特性以及可以通過現澆施工方法靈活實現曲線線型等優點，在彎梁橋中被大量采用。與直梁橋相比，曲線連續梁橋受豎向荷載時具有明顯的空間結構力學特點[1，2]，受力頗為復雜。在恒活載和預應力筋作用下，結構不但產生縱向彎曲、扭轉、橫向彎曲及翹曲，而且同一橋墩上曲線內外側的兩個支反力也有明顯的差別，曲率半徑越小，內外梁的支點反力相差越大，若設置不當活載偏置時，內梁甚至可能產生負反力，即出現“支座脫空”現象，這是相當嚴重的工程病害，甚至會造成工程事故，對此設計人員應格外關注。鑒于此，本文以白云山立交橋工程某匝道中一聯三跨預應力混凝土彎梁橋為例，通過模型試驗，對幾種不利活載工況進行支座反力分析，以檢驗理論分析結果，并確保結構的安全。

2 模型試驗及結果分析

2.1 工程概況與模型簡介

白云山公路立交橋是中心城區快速路工程的重要組成部分。本文選取A線匝道橋的一聯作為本次實驗的研究對象，該聯跨徑布置為33m+42m+33.6m=108.6m，梁高2.2m，梁中心曲線半徑98m，橋寬8m。根據相似理論，綜合考慮加工條件、測試設備、實驗室條件等多種因素后，最終選取1∶20的幾何縮尺設計制作了有機玻璃模型，有機玻璃模型全橋整體結構圖如圖1所示。據此，重點對支座反力進行測試和分析。

圖1 模型整體結構圖

2.2 試驗工況的選取

在進行有機玻璃模型試驗之前，為確定活載的加載位置和加載范圍，以為活載試驗提供理論依據，本文針對預應力彎梁橋由于彎扭耦合效應使其內外側腹板的應力和變形存在差異的特點，基于梁格法建立了全橋有限元模型（見圖2）。

圖2 有限元模型

利用有限元模型獲得了邊跨邊支點（D10墩）和邊跨中支點（D11墩）的反力影響線（如圖3、圖4所示）。

圖3 D10墩支反力影響線

圖4 D11墩支反力影響線

對D10和D11號墩支反力而言，根據計算影響線可以很容易確定其加載的位置和加載范圍，這里針對D10和D11號墩支反力分別選取了三種和兩種加載工況，各工況具體的加載方式如表1所示。在模型試驗中，活載的加載均以均布荷載+集中荷載的方式模擬，均布荷載采用1mm不銹鋼板來分層施加，集中載荷采用鋼塊施加（見圖5）。加載時注意輕拿輕放，盡量避免沖擊以影響到實驗測試結果。

表1 模型試驗加載工況

圖5 加載試驗

2.3 試驗結果分析

按照上面試驗工況進行加載實驗，D10墩和D11墩測試工況各墩內外側支反力結果見表2和表3。

表2 D10墩測試工況各墩支反力結果

表3 D11墩測試工況各墩支反力結果

從上表可以看出，工況1條件下，即對D10墩所在邊跨外弧施加均布荷載的同時在邊跨跨中施加集中荷載，對鄰近的D10、D11、D12墩處支座反力影響較大，且均呈現明顯的外弧側增大和內弧側減小的趨勢，其中D11墩、D12墩處支座反力內弧側減小的較大。但對較遠的D13墩而言，其內外弧的支反力均呈微小的增大趨勢，這與前幾個墩反力變化情況不同。隨著荷載的增加，即工況2和工況3條件下支反力亦呈上述相同的變化規律。從校驗系數可見，理論和實測結果吻合較好，說明理論計算模型基本反應了結構的真實特性。

從表3可見，當在D10－D12墩均布偏載并在D11墩處施加集中荷載時，對D10、D11、D12墩處支座反力影響明顯，均呈現外弧側增大和內弧側減小的趨勢，其中集中荷載所在的D11墩處外側支反力增量最大。工況3與工況2相比，隨著荷載的增加，D10－D12外弧支反力增加幅度顯著，而內弧支反力減小的幅度漸緩；對D13墩處內弧支座反力而言，荷載的增加使其增量由正變負，即呈減小的趨勢。

3 結論

3.1 預應力彎梁橋在活載作用下具有明顯的內外側支反力不均勻的特點，伴隨著扭轉效應，內外側反力差值隨著載荷的增加逐步加劇，外弧側支座反力不斷增大，內弧側支座反力不斷減小，在不利荷載作用下易于產生內側支座脫空、外側支座局部受力過大的情況，進而危及橋梁安全的工程隱患，對此設計人員要高度重視。

3.2 對預應力彎梁橋具有的較強的彎扭耦合效應和內外側支反力不均勻的特性，應注意梁端的扭轉變形。變形過大，在兩聯之間的伸縮縫易產生相對錯動，加劇跳車現象，并導致伸縮縫過早破壞。

3.3 曲率半徑較小的預應力彎梁橋，在活載下會受到徑向離心力的作用，加之梁體內的較大扭矩產生的向外傾覆趨勢，如果不能很好地控制長期荷載下的變形積累，會使得支座偏離原有的支撐位置，造成支座脫空和梁體內扭矩增加，從而導致橋梁的破壞。為此，建議在彎梁橋中除了注意合理布置抗扭支座外，還應采取一定的側向限位措施限制梁體的側移，避免運營過程中梁體出現“爬移”。

[1]戴公連，李德建.橋梁結構空間分析設計方法與運用[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]孫廣華.曲線梁橋計算[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]張杏萍，吳紅瑾，王利紅.預應力連續梁橋在公路立交橋中的應用[J].世界橋梁，2003，（1）：27-29.

[4]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，（S1）：23-28.

[5]彭大文，林希鶴.預應力連續彎箱梁的支座反力研究[J].福州大學學報，1998，（6）：63-68.