曲線連續梁橋支承布置形式對主梁結構扭矩的影響分析

謝 瑋

（中機中聯工程有限公司，重慶市400041）

0 引 言

近年來隨著中國城市立交建設的迅速發展，曲線梁橋結構得到了廣泛應用。曲線連續梁橋主梁的平面彎曲造成了曲線梁橋的受力狀態與直橋有著很大差別，構成了其獨有的受力特點。城市立交中，大部分匝道橋都為小半徑的曲線梁橋，個別橋梁平曲線最小半徑小于30 m。在滿足匝道寬度的前提下，上部結構截面的選取比直線梁橋多出結構抗扭這一項特殊要求，箱梁截面在這方面就體現了其優越性。

1 工程實例

以重慶黃沙溪立交E 匝道橋作為工程實例，該匝道橋為四跨連續曲線梁橋，跨徑（29.5+36.5+29.5+29.5）m，曲線半徑46.5 m，斷面形式采用單箱雙室箱梁，梁高1.7 m，箱梁頂板寬10.7 m，底板寬6.7 m，翼緣寬2.0 m。橋梁平面圖如圖1 所示。

2 曲線梁橋的主要支承形式

曲線梁橋的抗扭支承多由兩個或兩個以上的橫橋向板式或盆式支座組成。不同的支承方式，其上部結構扭矩大小不同，根據其結構受力特點一般采用的支承方式如下：

（1）在曲線梁橋兩端的橋臺或分聯處采用兩點或多點支承的支座，即設置抗扭支座，這種支承方式可有效提高主梁的橫向抗扭性能，保證其橫向穩定性。

圖1 E 匝道結構平面圖（單位：mm）

（2）在曲線梁橋的中墩支承處可采用的支承形式很多，應根據其平面曲率、跨徑、墩柱截面和墩柱高度及預應力鋼束作用力的不同來合理選用支承方式。

經常采用的支承方式如下：

（1）單柱式點鉸支承。這種支座可根據其受力需要固定或放開某方向的水平約束，但是這種支座對主梁的扭轉沒有約束，這時主梁在橫向和縱向可自由扭轉。為了調整梁內扭矩沿橋縱向分布，可在中支墩的點鉸支承處，給以一定的橫向預偏心，從而人為地控制沿梁長方向梁內的扭矩峰值。而中墩點鉸預偏心的方法只是起到內力重分配的效果，并不能起到抵消扭矩的作用。

（2）雙柱中墩或設置雙點支承。這種支承方式對主梁可提供較大的扭轉約束。在主梁的自重作用下，扭矩值較單點支承時的值小得多，雙點支承可有效減小主梁自重扭矩；但是雙點支承時，預應力作用下，扭矩值較單點支承的值增大很多，而且扭矩分布規律也發生了變化，說明雙點支承增大了主梁預應力所產生的扭矩。

（3）獨柱墩頂與梁固結的方式，墩柱可承擔一部分主梁扭矩，對主梁的扭轉變形有一定約束。

3 不同支承形式對上部主梁結構扭矩影響

采取不同的支承方式對曲線主梁結構的受力影響很大，主要影響主梁的扭矩值和扭矩沿梁縱向的分布規律，以及主梁的扭轉變形。針對不同的橋梁結構應選用對結構受力有利的支承方式。

3.1 計算工況

針對重慶黃沙溪立交E 匝道橋，為分析不同支承形式對主梁扭矩的影響，分別選取了四種支承形式進行計算分析。

工況一：中墩8e、9e、10e 處均采用單個支座，支座位置在箱梁底中心，未設置預偏心。

工況二：中墩8e、9e、10e 處均采用單個支座，設置預偏心250 mm。

工況三：中墩8e、9e 處墩梁固結，且橋墩中心線相對于箱梁底中心位置外偏250 mm，10e 處采用單個支座，設置預偏心250 mm。

工況四：中墩8e、9e、10 e 處設置抗扭支座。

3.2 有限元計算結果分析

本文計算采用橋梁博士V3.1.0 計算軟件進行分析，得出四種工況的扭矩包絡圖。

工況一：在8e、9e、10e 設置單個支座的截面附近，上部箱梁的扭矩值較小，而大部分扭矩傳遞到左端蓋梁和右端橋臺處（見圖2）。

圖2 工況一扭矩包絡圖（中墩設單支座，不偏心）

工況二：支座設置偏心后，扭矩包絡圖在中間支點處發生了錯位移動，使得全橋的扭矩沿橋梁縱向重新分配，而且趨于均勻。左端蓋梁分縫處及右端橋臺處的扭矩峰值大大削減（見圖3）。

圖3 工況二扭矩包絡圖（中墩設單支座，預偏心250 mm）

工況三：該橋采用的支承形式。由于橋寬較窄，且曲線半徑很小，在上部結構自重、汽車偏載，尤其在預應力鋼束徑向力的作用下，主梁橫向扭矩和扭轉變形很大，因此采用獨柱墩。較高的8e、9e 軸處橋墩采用墩梁固結形式，用以抵抗部分上部結構的扭矩及扭轉變形，增強整體橫向穩定性。較低的10e 軸墩處采用具有較弱抗扭能力的單點支承的方式，這樣可有效降低墩柱的彎矩和減小主梁的橫向扭轉變形，這兩種支承方式的橫向位置均進行了偏心調整。此種支承方式扭矩沿橋縱向分配比較均勻，各控制截面的扭矩也相對比較接近。而且和單鉸支承相比較，設置兩個固結墩則能更有效地減小主梁的橫向扭轉變形（見圖4）。

圖4 工況三扭矩包絡圖（8e、9e 墩固結，10e 設單支座，都偏心250 mm）

工況四：在中墩設置抗扭支承，可以有效抵抗上部傳來的扭矩，結構主梁扭矩總和減小。抗扭支座的設置實際上是對上部箱梁的扭矩起到了很大的約束作用。箱梁扭矩重新分配后，各控制截面的扭矩亦比較均勻，而且控制扭矩相對較小。但是從橋梁美觀角度上來說，該聯匝道橋橋寬較窄，曲率也很小，如果在中墩處設置蓋梁或者寬墩來放置雙支座勢必會影響橋梁的整體美感，降低橋下的通透性。而且從經濟性考慮，與獨墩固結形式相比，設計最終采用了獨墩固結形式（見圖5）。

圖5 工況四扭矩包絡圖

4 主梁截面抗剪扭驗算

根據扭矩內力包絡圖結果，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）對不利截面進行了截面抗剪扭驗算，并與《混凝土結構設計規范（2015 年版）》（GB 50010—2010）計算結果進行了比較。

4.1 通過《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（J TG 3362—2018）進行驗算

（1）箱形截面受扭構件的截面受扭塑性抵抗矩。以8e 左側6.25 m 處為控制截面驗算剪' 扭，計算時應滿足h≥b，否則h 與b 應互換：

（2）矩形和箱形截面承受彎、剪、扭的構件，其截面應符合下列公式要求：

（3）矩形和箱形截面承受彎、剪、扭的構件，當截面符合下列條件時，可不進行構件的抗扭承載力計算，僅需配置構造鋼筋：

（4）矩形和箱形截面剪扭構件，其抗剪扭承載力應按下列公式計算：

4.2 通過《混凝土結構設計規范（2015 年版）》（GB 50010—2010）進行驗算

（1）箱形截面受扭構件的截面受扭塑性抵抗矩。以8e 左側6.25 m 處為控制截面驗算剪扭，計算時應滿足h≥b，否則h 與b 應互換：

（2）箱形截面承受剪、扭的構件，其截面應符合下列公式要求：

（3）箱形截面剪扭構件，其抗剪扭承載力應按下列公式計算：

（4）剪扭構件抗剪承載力按下列公式計算：

4.3 對比結果

通過以上《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）和《混凝土結構設計規范（2015 年版）》（GB 50010—2010）的計算結果可以看出，前者對剪扭構件的抗剪扭截面要求比后者更趨于保守，而且對抗剪和抗扭強度驗算也相對于后者規范要求更加嚴格。

5 結 語

（1）采用雙點支承時，在主梁的自重作用下，扭矩值較單點支承時的值小得多，雙點支承可有效減小主梁自重扭矩；但是雙點支承時，預應力作用下，扭矩值較單點支承的值增大很多，而且扭矩分布規律也發生了變化，說明雙點支承增大了主梁預應力所產生的扭矩。而自重與預應力荷載的合成扭矩則因橋而異。

（2）在單柱式點鉸支承的曲線連續梁橋中，上部結構傳來的扭矩是不會通過這些點鉸支承傳到基礎去的，而一般都是由橋的兩端通過設置抗扭支承的橋臺來傳遞扭矩的，所以中支點的作用只是起到減小彎曲長度的作用。為了調整梁內扭矩沿橋縱向的分布，可在中支墩的點鉸支承處，給以一定的橫向預偏心，從而人為地控制沿梁長方向梁內的扭矩峰值。而中墩點鉸預偏心的方法只是起到內力重分配的效果，并不能起到抵消扭矩的作用。

（3）在中墩獨柱墩梁固結的曲線連續梁橋中，雖然墩柱可承擔一部分主梁扭矩，對主梁的扭轉變形有一定約束，但是為了調整梁內扭矩沿橋縱向的分布、控制扭矩峰值，也應適當考慮將固結墩在橋梁橫向設置一定的預偏心。但是預偏值要恰當，如果設置過大，反而會使扭矩沿箱梁縱向分布更不均勻，而導致適得其反。

另外，曲線連續箱梁橋下部支承形式的選取并不是一概而論的，設計人員應根據工程實際情況綜合考慮結構的受力特點、結構安全性、橋梁美觀性及經濟性等，確定最合理的支承形式。