結構支承布置對曲線梁橋效應影響研究

關 偉，李群鋒

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著山西省交通事業的快速發展，為了使橋梁設計滿足路線平面線形、橋址地形及避開地下管線設施的需要，曲線梁橋在互通區及城市高架橋中不斷涌現，曲線梁橋的不斷涌現是橋梁發展的必然結果。曲線梁橋由于結構自身存在著與直線橋本質的區別（彎扭耦合），曲梁結構在彎扭耦合作用下，結構變形比直梁結構復雜，因而其結構支承布置也較直梁橋復雜。若曲線梁橋的支承布置不當，梁端支座脫空，車輛荷載的偏心引起主梁的扭矩及其變形的增加，嚴重的甚至會引起主梁梁體的側翻等曲線梁橋的病害產生，所以研究掌握曲線梁橋的支承布置對主梁效應的影響就顯得十分有必要了。

1 曲線梁橋分析方法與有限元模型

曲線梁橋常用的分析方法有：解析法和數值法。解析法類似于用于直線橋的分析方法，概念清楚、計算簡單，但是若將其用來分析變截面、變半徑的曲線梁橋則有較大的困難。數值法能較精確地模擬結構的受力狀態，運行速度快，有較廣的適用范圍。數值法包括有限元法、有限殼元法、有線條法，有梁單元、板殼單元和實體單元等幾種單元形式[1]。

本文采用TDV RMv8i有限元程序建立曲梁模型，以某互通區匝道上一座13×20 m預應力混凝土現澆箱梁為例，取第二聯4×20 m現澆箱梁進行建模分析，該橋第二聯平面位于R=125 m（右偏）的圓曲線上，橋面寬度9 m，主梁采用單箱單室斷面，梁高1.4 m，腹板為斜腹板，腹板水平厚度45 cm，頂板厚25 cm，底板厚22 cm，懸臂長1.75 cm，懸臂端部厚18 cm，懸臂根部厚45 cm，箱梁內腔頂倒角100×20 cm，底倒角20×20 cm。橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土+10 cm厚C50鋼纖維防水混凝土，橋面兩側設置防撞墻，汽車荷載等級為公路-I級。箱梁模型采用空間梁單元，共劃分84個單元，結構有限元模型見圖1。

圖1 結構有限元模型圖

2 曲線梁橋支承布置形式

一般多跨曲線梁橋邊墩或橋臺一般布置抗扭支承，中間支承布置可分為三類：a）A型，全橋墩、臺上均設置抗扭雙支座。b）B型，兩端橋臺上設置抗扭雙支座，其余均為單點鉸支承。c）C型，中間橋墩上單點鉸支承與抗扭雙支座兼有[2]。本文擬用7種結構支承布置方案來研究其對曲線梁橋效應的影響，7種結構支承布置方案見表1。

3 計算結果與分析

荷載工況考慮結構自重+二期恒載（防撞墻采用偏心加載）、活載作用，上述荷載均按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)取值。活載布載時按最不利荷載從曲線梁橋外弧靠防撞墻側0.5 m處開始布載，方案1～方案7曲率半徑均按R=125 m(右偏)建模時取用。

表1 曲線梁橋結構支承布置方案

3.1 不同支承形式對曲線梁橋扭矩效應的影響

曲線梁橋在結構自重+二期恒載、活載作用下產生的主梁扭矩見圖2～圖3。

圖2 自重+二期恒載扭矩Mx圖

從圖2可以看出，A型方案1～方案3各墩頂均設置抗扭支承，設置偏心前后的扭矩幾乎沒有變化；B型方案4～方案5只在兩頭墩上設置抗扭支承，設置偏心前后的扭矩有明顯變化；C型方案6～方案7在兩頭墩和對稱墩上設置抗扭支承，設置偏心前后的扭矩有明顯變化，對稱墩對改善梁體扭矩作用明顯。從圖3可以看出，設置偏心后活載產生的扭矩變化不明顯，而在各墩頂設置抗扭支承，設置偏心前后主梁的扭矩幾乎沒有變化。

3.2 不同支承形式對曲線梁橋扭轉變形效應的影響

曲線梁橋在結構自重+二期恒載、活載作用下產生的主梁扭轉變形見圖4～圖5。

圖4 自重+二期恒載扭轉變形Rx圖

圖5 活載扭轉變形Rx圖

從圖4可以看出，在結構自重+二期恒載作用下設置支座偏心距可以減小主梁的扭轉變形；支座偏心距不能設置過大，從方案5、方案7扭轉變形曲線可以看出，由于設置支座偏心距0.2 m，梁體向內弧側扭轉；方案1～方案3各墩頂均設置抗扭支承，方案3設置支座偏心距對改善梁體扭轉作用不明顯。從圖5可以看出，在活載作用下設置支座偏心距可以減小主梁的扭轉變形；從方案6、方案7扭轉變形曲線可以看出，對稱墩設置抗扭支承較未設置抗扭支承對改善梁體扭矩作用很明顯，有效地限制了梁體向外弧方向扭轉；從方案4、方案5（中間各墩頂均設置點鉸支承）扭轉變形曲線可以看出，梁體扭轉變形最大值較其他方案大，在橋梁設計時應予以重視，以防橋梁在活載偏載作用下主梁結構出現翻轉，下部墩臺結構失穩。

3.3 不同支承形式對曲線梁橋支座反力效應的影響

方案1～方案7支承布置下，支承反力數值見表2。

表2 支承布置方案1～方案7支座反力 kN

從表2可以看出，在結構自重+二期恒載作用下，方案1、方案2、方案4、方案6未設置支座偏心，曲線梁橋外側支座反力大于內側支座反力；方案3、方案5、方案7設置支座偏心，支座偏心對自重+二期恒載作用下的支座反力影響較明顯，使曲線梁橋內側支座反力大于外側支座反力，但內外側支座反力之和基本不變；支座偏心對活載作用下的支座反力影響不明顯；對稱墩設置抗扭支承后，主梁梁端側內外側支座反力趨向均衡，對稱墩內外側支座反力之和與同位置單支點反力相比較基本沒有變化。

4 結語

a）對于全橋均設置抗扭支承的情況，設置支座偏心距對改善主梁扭轉效應作用不大，而對于兩端設置抗扭支承，中間各墩均設置單點支承的情況，設置支座偏心距對改善主梁扭轉效應作用明顯。在設計中，支座偏心距的設置大小，一般使橋兩端外側支座的正負扭矩值接近為好。

b）對稱墩設置抗扭支承，對改善主梁的扭轉變形作用明顯。在設計中，對于聯長較長、曲線半徑較小的曲線梁橋，盡可能在全聯設置抗扭支承，其對改善主梁的扭轉變形、主梁內外側支座反力分布起到積極的作用。橋墩形式可以采用雙柱式、多柱式、矩形實體墩、花瓶墩等等形式，可根據橋址處實際情況而定。

c）對于兩端設置抗扭支承內外側支座反力而言，支座偏心距對恒載所產生支座反力影響很大，使支座反力重新分布，對活載所產生支座反力影響不明顯。對于中間墩設置單點鉸支承支座反力而言，無論恒載、活載、支座偏心對支座反力的大小影響不明顯。對于全橋均設置抗扭支承內外側支座反力而言，當聯長較短或橋孔不多時，可將固定支承放于一端的橋臺上或分聯墩上。