小半徑鋼箱梁橋整體穩定分析

吳新強 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

隨著城市建設的快速發展，城市高架橋、大型互通立交橋如雨后春筍般拔地而起。由于受地形、管線以及用地面積的限制，涌現出大量的小半徑曲線橋梁。鋼箱梁因具有良好的抗彎性能、可靠的抗扭性能和較大的跨越能力，在用地受限的城市橋梁設計中被廣泛應用[1]。但自重較小，結構整體穩定性較差。在工程實際中，小半徑曲線梁橋常出現諸如梁體向曲線外側徑向位移、梁體曲線內側支座脫空等病害，甚至發生梁體整體傾覆事故，造成重大的經濟損失和惡劣的社會影響。故小半徑曲線梁橋整體穩定性越來越受到重視。規范[2]4.1.8條：持久狀況下，梁橋不應發生結構體系改變，并應同時滿足下列規定：①在基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態；②在作用標準值進行組合時，整體式截面簡支梁和連續梁的作用效應應滿足抗傾覆穩定要求。

2 曲線梁橋整體穩定概述

與直線梁橋相比，由于曲線梁橋始終處于彎扭耦合作用下，其在結構受力上有顯著特征：在直橋中，只有當荷載偏心時才產生扭矩，而在曲線梁橋中，無論荷載是否偏心都有彎矩和扭矩產生，由于扭矩的作用，曲梁外側加載內側減載，使得梁體外側的撓度大于內側的撓度，外側的彎曲應力大于內側的彎曲應力[3]。這種狀況反映到支座反力上，外側支座反力顯著大于內側，在可變荷載（活載、溫度等）作用下，內側支座甚至出現負反力，導致支座脫空，這是傾覆過程的開始，此時橋梁結構體系發生變化。

目前，保證曲線梁橋整體穩定的措施主要有設置支座預偏心、采用抗扭型支承、梁端配重等。采用不同的支承方式，對曲線梁橋上下部內力影響較大。對于彎梁橋，中間支承一般分為2種類型：抗扭性支承（多支點或墩梁固結）和單點鉸支承[4]。由于扭矩不能通過單點鉸支承傳遞至下部結構，只能通過曲梁兩端抗扭支承來傳遞，從而導致梁體產生過大扭矩，對結構受力不利。故小半徑曲線梁橋應盡量避免設計單支座。

本文通過一工程實例，探討不同支承方式下，小半徑曲線鋼箱梁橋支座反力的特點，并結合局部配重，分析曲線梁橋整體穩定的合理措施。

3 小半徑鋼箱梁橋實例

3.1 工程概況

某匝道橋位于半徑90m的圓曲線上，超高橫坡2%，跨徑布置為3×30m，梁高1.8m，采用單箱單室斜腹板鋼箱梁，箱梁頂板寬9.5m，底板寬4.8m，懸臂長度1.7m。中墩及邊墩均采用雙支座，支座間距2.4m。

3.2 計算模型

采用有限元軟件MIDAS Civil2017建立空間分析模型。主梁采用單梁進行模擬，支座按實際位置建立節點，并與主梁節點剛性連接。如圖1模型一所示，邊中墩均采用雙支座抗扭支承。

圖1 模型一

圖2 模型二

為了進行比較，將2號墩抗扭支承改為柔性固結墩建立模型二，判斷墩梁固結情況下支反力特點。

4 不同情況下的支座反力

4.1 不設支座預偏心

圖3 不設支座預偏心模型一恒載作用下反力

圖4 不設支座預偏心模型二恒載作用下反力

圖3、圖4表明：恒載作用下當支座關于結構中心線兩側對稱布置時，中墩處支座反力基本相當，邊墩處支座反力相差較大。

圖5 不設支座預偏心模型一基本組合下最小反力

圖6 不設支座預偏心模型二基本組合下最小反力

圖5、圖6表明：采用2號墩固結的約束方式，3號中墩內外支座的負反力增加約140kN，4號邊墩負反力相差不大，1號邊墩相差較大。單從反力表現來看，墩梁固結方案并不有利。并且墩梁固結構造及受力均較為復雜，節點處應進行空間分析。實際工程中常出現墩梁固結處在立柱頂部產生水平環形裂縫。故下面的探討以中墩采用雙支座抗扭支承（模型一）為基礎。

4.2 設置支座預偏心

小半徑曲線梁橋應合理設置支座預偏心，以重新分配曲梁恒載扭矩達到平衡，減小結構的扭轉變形，避免負反力的出現。

根據曲率半徑大小、橋梁跨徑，支座預偏心一般采用10～40cm。通過試算，本橋中墩雙支承往曲線外側偏移20cm較為合理。

圖8 設置支座預偏心基本組合下最小反力

圖7、圖8表明：中墩設置支座預偏心對中墩雙支座反力影響較大，恒載作用下內側支反力增加，等于在內側支座預加了荷載，這樣在基本組合下中墩雙支座無負反力出現，并且有一定富余。但恒載作用和基本組合下邊墩支反力無變化。

4.3 設置梁端配重

由4.2節可知，中墩設置支座預偏心對邊墩支座負反力無改善，此時一般通過梁端配重方式來消除邊墩支座負反力。本橋配重采用鐵砂混凝土，容重40 kN/m3，在聯端3.5m長度范圍全斷面配重。

圖9 設置梁端配重恒載作用下反力

圖10 設置梁端配重基本組合下最小反力

圖9、圖10表明：采用梁端配重方式可有效改善邊墩支座受力狀況，消除負反力。

基本組合下邊墩內外側支反力差值較大，此時可通過邊墩設置支座預偏心來調節，見圖11、圖 12。

圖11 設置邊墩支座預偏心恒載作用下反力

圖12 設置邊墩支座預偏心基本組合下最小反力

如果要提高中墩處支反力的安全儲備，可在中橫梁處局部壓重。

在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態，然后可按作用標準值組合進行抗傾覆穩定驗算，限于篇幅本文不再論述。

5 結語

通過工程實踐及上文分析，關于小半徑曲線鋼箱梁橋整體穩定，可得出以下結論：

①中墩墩梁固結的約束方案在控制支座負反力方面并不有利，由于結構受力復雜性，在采取這一措施前，應先驗算下部結構，保證墩頂與梁底固結面積足夠；

②設置支座預偏心、配重等是曲線梁橋整體穩定常用措施，并且不止中墩可以設置支座預偏心，邊墩也可以，梁端配重方式也很靈活，在寬度方向可采用全斷面配重、半斷面配重，在高度方向可全高配重、半高配重等，這些措施不是獨立的，經常是組合使用，以得到最優方案；

③拉大支座間距尤其是邊墩支座間距是增強抗扭能力，避免支座脫空的有效措施。有時受占地限制及橋墩外形統一的考慮，增加支座間距不是首選方案。

由于曲率半徑、橋梁跨度、寬度等具體情況各不相同，應輔助一定的有限元計算，從而得出曲線梁橋整體穩定的合理措施。