全抗扭支座預應力連續彎箱梁橋的研究

程偉

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海市 200235）

全抗扭支座預應力連續彎箱梁橋的研究

程偉

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海市 200235）

從對結構受力合理的目的出發，論述了預應力混凝土連續彎橋制動墩的選擇、支承橫向偏心位置的調整及釋放部分水平約束對曲線梁橋內力的影響，并結合工程實例進行分析，其分析結果對預應力混凝土連續彎橋的支座布置設計有一定的指導意義。

連續彎橋；制動墩；支座反力；水平約束

0 引言

近年來，隨著我國軌道交通的迅速發展，高架區間工程愈來愈多，由于地形、地物的限制，線路沿著地面道路走行等原因，連續彎箱梁橋日益得到廣泛應用。

連續彎橋設計中，支座的布置有兩種常用方式：（1）橋梁端部設抗扭支座，中墩處設有預偏心的單支座；（2）所有墩位處均設抗扭支座。近年來，由于獨柱墩橋梁傾覆事故頻發，連續彎橋中墩采用獨柱墩點鉸支承暴露了很大的問題。故本文結合實際工程僅對采用第二種支座布置方式的連續彎橋力學行為進行了研究。

1 工程背景

上海市軌道交通8號線三期一出入段線橋，需跨越河流，連接正線。橋位處線路由直線、圓曲線和緩和曲線組成。為滿足限界要求，連續曲梁結構中心線設置為曲線。由于受到周邊地塊的限制，該聯跨徑組合需為30 m+25 m+25 m、平曲線半徑R-75 m，橋寬9.05 m。本橋采用預應力連續梁體系，該橋平面見圖1。

圖1 橋位平面圖（單位:m）

上部結構連續曲線箱梁采用等高箱型截面，梁高2.0 m，底寬4.0 m，頂板厚度為0.25 m，底板厚度為0.25 m，在支撐點4 m處漸變為0.35 m。在橋墩處根據計算設置支座偏心，橫梁相應加寬，橫梁高度2.0 m，寬2.0 m，見圖2。

圖2 主梁橫斷面圖（單位:mm）

下部結構中墩、邊墩均采用帶蓋梁的圓型實心獨柱橋墩。直徑為2.3 m。中墩、邊墩均采用矩形承臺，承臺尺寸為5.8 m×5.8 m（橫×順），厚2.0 m?；A采用4根Φ1.2 m鉆孔灌注樁，樁長55 m，樁基持力層為第7-2層。

彎橋平面內的變形可以分為兩種[1]：（1）徑向變形；（2）切向變形。水平約束即限制了此兩種位移。本橋水平向約束的實現是通過采用單向、多向活動或固定的球形支座實現的。

2 制動墩的選取

對四個橋墩分別作為制動墩，約束沿切線方向的位移。四種制動墩形式，恒載作用下其水平支座反力采用Midas Civil 2012計算后，比較情況見圖3。

圖3 恒載作用下其水平支座反力（單位:kN）

結論：恒載作用下，

（1）一般中墩水平力大于邊墩水平力；

（2）制動墩會產生水平面內的扭矩；

（3）不同墩做制動墩時，各墩徑向水平力，及制動墩扭矩變化較大。

根據以上結論可知，制動墩需進行抗扭驗算。實際設計中需嘗試幾種制動墩布置形式，采取支座水平反力較小的布置。

四種制動墩形式，在主+附組合作用下主梁內力采用邁達斯軟件計算后，比較情況見圖4。

由圖4可知，在外荷載、自重等計算條件相同的條件下，各支座分別作為制動墩時，可以得出如下結論：從梁體的內力看，選用何種制動墩類型，對梁體的水平向彎矩值和扭矩值影響不大，但對該梁體的豎向彎矩值則影響較大。

圖4 水平向力矩M、扭矩T、豎向力矩M比較圖（單位:kN·m）

3 抗扭支座橫向偏心位置的調整

本工程采用的支座布置形式見圖5。

圖5 25 m+25 m+30 m曲線箱梁的支座布置形式

3.1 支座不偏心時支反力比較

從表1計算結果表明，在恒載作用下第1號至第4號支承的內、外側支座反力大小很不均勻，即連續曲箱梁邊、中墩支反力因受扭矩的作用而導致外側大于內測，制動墩外側支反力約為內側的2倍(見表1)。在主+附組合下，中墩內側支座出現負反力。

表1 不設置支座橫向偏心時支反力(單位：kN)

3.2 調整支座偏心后支反力比較

尋找支座調整對反力影響規律，進行以下兩種支座偏心調整：（1）3號支承內外側支座向外偏移0.2 m；（2）3號支承內外側支座向外偏移0.4 m。反力結果見表2、表3。

表2 3#墩設置0.2 m支座橫向偏心時支反力(單位：kN)

表3 3#墩設置0.4 m支座橫向偏心時支反力(單位：kN)

從表2、表3中可以看出,

（1）隨著支座橫向偏心值的增大，3#墩內外側支承反力趨于均衡。

（2）3#支承向外偏移0.2 m和0.4 m所產生的支座反力變化基本成2倍關系，所以可得出結論：在一定范圍內，支座偏心調整產生的支座反力變化成線性關系。

（3）3#支承外側支座減小的支座反力和內側支座增加的支座反力相等，且其他支承的支座反力變化不大，幾乎可忽略。

可得結論：支座向外偏移，內支座反力增大，外支座反力減小，且主要對該支承處支座反力有影響。在實際工作中，可先建立不偏心的計算模型，得出各個支座反力，然后在模型中一次性調整各個支座的偏心，得出各個支座反力的變化。根據支座調整產生反力變化為線性關系以及支承調整只對本支撐處支座反力產生變化，據此可求出需要的各個支座偏心量，避免了反復調整支座偏心的工作量。

（4）由支座反力合力不變可知，設置支座橫向偏心對主梁內力沒有影響。

在設計中，支座橫向偏心量值可以采取下列控制指標：

a.荷載組合下防止出現支座脫空；

b.平衡上部結構恒載對墩柱的彎矩，以減小下部結構的規模。

4 徑向水平約束的選取

為保持伸縮縫處梁體變形較小，將制動墩設置在1#墩，僅釋放2#、3#墩徑向水平約束，見圖6、圖7。

圖6 釋放支座2徑向約束后恒載作用下水平力（單位:kN）

圖7 釋放支座2、3徑向約束后恒載作用下水平力（單位:kN）

結論：只需部分釋放支座徑向約束，全橋支座水平力即可大大減小，這對橋墩設計較為有利。尤其墩高較高，水平力引起的墩底彎矩很大時，釋放水平約束是較為實用的手段。

采取不同徑向水平約束時，在主+附組合作用下主梁內力采用邁達斯軟件計算后，比較情況見圖8。

圖8 水平向力矩M、扭矩T、豎向力矩M比較圖（單位:kN·m）

由圖8可知，在外荷載、自重等計算條件相同的條件下，部分釋放水平約束時，可以得出如下結論：

從梁體的內力看，部分釋放水平約束，對梁體的水平向彎矩值和扭矩值影響不大，但對該梁體的豎向彎矩值則影響較大。

5 結 語

通過以上的對比分析，可以得出以下結論：

（1）恒載作用下，一般中墩水平力大于邊墩水平力。制動墩會產生水平面內的扭矩，需進行抗扭驗算。不同墩做制動墩時，各墩徑向水平力，及制動墩扭矩變化較大。實際設計中需嘗試幾種制動墩布置形式，采取支座水平反力較小的布置。

（2）在外荷載、自重等計算條件相同的條件下，采取不同的水平約束形式時，可以得出如下結論：從梁體的內力看，采取不同的水平約束形式對梁體的水平向彎矩值和扭矩值影響不大，但對該梁體的豎向彎矩值則影響較大。但是，設置支座橫向偏心對主梁內力沒有影響。

（3）支座向外偏移，內支座反力增大，外支座反力減小，在一定范圍內，支座偏心調整產生的支座反力變化成線性關系。且主要對該支承處支座反力有影響。在實際工作中，可先建立不偏心的計算模型，得出各個支座反力，然后在模型中一次性調整各個支座的偏心，得出各個支座反力的變化。根據支座調整產生反力變化為線性關系以及支承調整只對本支撐處支座反力產生變化，據此可求出需要的各個支座偏心量，避免了反復調整支座偏心的工作量。

（4）在設計中，支座橫向偏心量值可以采取下列控制指標：荷載組合下防止出現支座脫空；平衡上部結構恒載對墩柱的彎矩，以減小下部結構的規模。

（5）只需部分釋放支座徑向約束，全橋支座水平力即可大大減小，這對橋墩設計較為有利。尤其墩高較高，水平力引起的墩底彎矩很大時，釋放水平約束是較為實用的手段。

[1]邵容光,夏淦.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1994.

[2]姚玲森.曲線梁[M].北京:人民交通出版社,1989.

[3]李國豪.大曲率薄壁箱梁的扭轉和彎曲[J].土木工程學報, 1987,20(1):65-75.

[4]林力成,林曉芳.連續彎梁橋計算模型分析[J].華東交通大學學報,2005,22(4):14-16.

U448.21+3

B

1009-7716（2016）12-0043-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.013

2016-09-20

程偉（1985-），男，河北廊坊人，工程師，從事橋梁設計工作。