一種彎橋梯形壓重的技術創新

包孔波，張立明

（中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州215131）

0 引言

小半徑彎橋在成橋狀態下其邊墩或橋臺處的曲線內側支座通常會出現脫空現象，帶來梁體傾覆等安全隱患。所以設計者應對彎橋進行構造處理，防止支座產生負反力。

解決負反力的方法通常有兩種[1]:一種是在主梁與墩身之間設置抗拉支座或其它連接結構，保證在運營狀態下邊墩或橋臺處的支座不脫空，不影響橋梁結構的使用安全;另一種則用增加壓重的方法來控制邊墩或橋臺處負反力，確保在運營狀態下鋼橋邊墩或橋臺處支座不出現負反力，并有一定的壓重儲備。

目前常見的壓重方法存在壓重效率不高，施工困難等不利因素，本文提供一種用于彎橋的壓重結構設計，該方法壓重效率高,施工方便。

1 彎橋梯形壓重的理論依據

根據國內外對曲線橋的研究，其理論依據主要是由曲梁平衡微分方程和伏拉索夫方程[2]，總結出的部分曲線橋受力特點如下：

彎橋一般情況下外弧側支座反力大于內弧側支座反力，主要因為主梁在自重作用下產扭矩，該扭矩必須通過兩側支座反力來平衡。

針對彎橋曲線內弧側支座脫空現象，有必要研究一種有效的壓重方式，避免橋梁支座脫空。

如圖1所示的力學模型，假設壓重的合力點距離曲線內弧側支座距離為x，距離曲線外弧側支座距離為b-x，則內外支座的反力分別為：

圖1 力學圖示

由上式可知，要使得內側支座取得最大壓重反力，則壓重合力作用點越接近曲線內弧側則內弧側支座反力越大，外弧側支座反力越小甚至出現負反力。

2 有限元驗證分析

為了驗證各種壓重方法的差異性，本文進行有限元計算比選分析，計算模型見圖2，該模型為中心線長度為25 m簡支橋實心板，板厚50 cm，橋梁中心半徑為25 m，橋梁寬度為10 m，每側支座均勻布置，支座中心距離主梁邊緣均為2.5 m。

圖2 計算模型（單位：m）

總壓重重量固定為350.8 kN。

比選的壓重方式有：

（1）全橋均布壓重；

（2）支座附近3.1 m范圍內均布壓重；

（3）支座附近3.1 m范圍內半幅均布壓重；

（4）支座附近3.1 m范圍內半幅梯形壓重。

如圖3所示，該模型在自重狀態下，曲線外弧側支座反力為1 603.1 kN，曲線內弧側支座反力為-44.7 kN，說明該彎橋彎扭效應明顯，必須通過壓重來調節支座反力。

圖3 自重狀態下內支座出現負反力（-44.7kN）

2.1 全橋壓重

給橋梁施加橋面鋪裝的效果等同于全橋壓重，將壓重重量350.8 kN均勻分攤到橋面上，則面載荷為1.4 kN/m2，計算結果見圖4，均勻給全部橋面板施加荷載，會加劇弧線內側支座的脫空趨勢，壓重起反作用，工程中應避免此類壓重。

圖4 整體壓重狀態下（不計自重）內支座出現負反力（-5kN）

2.2 支座附近均勻壓重

常規橋梁進行壓重的方式為在支座附近進行均勻壓重，一般采用箱室內擺放壓重塊或澆筑素混凝土來實現。本例題選取距離梁端中心線長度為3.1 m的箱體進行均勻壓重，總壓重的重量為350.8 kN，則距梁端3.1 m范圍內的均布壓重為5.6 kN/m2。

圖5 梁端均勻壓重（不計自重）狀態下內支座反力49.2kN

2.3 支座附近內半幅均勻壓重

部分設計師意識到整體壓重和支座附近均勻壓重所起的效果較差，因此采用支座附近半幅均勻壓重，以期取得更好的壓重效果。

本例題將總壓重重量350.8 kN均勻的施加在曲線箱梁距離梁端3.1 m范圍內的內半幅（曲線內側）,均布荷載為12.5 kN/m2。

如圖6所示，支座附近曲線內半幅均勻壓重效果十分明顯，原本易脫空的內側支座分配到的支座反力增加明顯，內側支座反力達到148.2 kN，外側支座反力為27.1 kN，壓重有效性系數達到84.5%。

圖6 內半幅壓重內支座反力為148.2 kN

2.4 支座附近內半幅梯形壓重

為了盡可能多提高壓重有效系數，本文作者團隊創造了彎橋的梯形壓重技術，即在支座附近曲線內半幅施加梯形壓重，見圖7，在小半徑處壓重多，在半徑大的位置壓重小。

圖7 梯形壓重布置立面

本例題將總壓重重量350.8kN按照階梯型分布規律，施加在曲線箱梁的內半幅（曲線內側）。

如圖8所示，按照梯形壓重進行內力分配后，支座附近曲線內半幅均勻壓重效果非常明顯，原本易脫空的內側支座分配到的反力增加明顯，內側支座反力達到185.1 kN，外側支座反力為-9.8 kN，壓重有效性系數達到106%。

圖8 梯形壓重內支座反力為185.1 kN

綜合上述有限元計算的結果，參見表1壓重方案對比表，可知梯形壓重效果最為理想，能最大限度的增加有效壓重，可以做到受力合理、力系明確，進而節約壓重成本。

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表1 壓重方案對比表

3 彎橋梯形壓重方法的技術推廣

從本文的有限元驗證分析可知，彎橋采用梯形壓重方法可大大提高壓重效率。彎橋梯形壓重這一技術創新適用于各種彎橋，解決彎橋在運營階段支座脫空問題。施工時在彎橋靠近邊墩或橋臺的曲線內側區域實施階梯型壓重，最大程度的發揮壓重效果。

對于工程中常見的彎箱梁，為解決彎箱梁支座脫空問題，可采用本文所述的梯形壓重方法。

作者團隊應用梯形壓重理論成功的在幾座小半徑彎鋼箱梁上進行了技術應用，取得了很好的效果，其主要壓重方法如下：

為防止彎橋端部出現負反力，在梁端一定范圍內設置壓重，壓重材料采用鐵礦砂混凝土預制塊，容重要求達到35 kN/m3，壓重件分兩次施工，第一次在拆除臨時墩前加一半的壓重，其余部分在拆除臨時墩后擺放。為防止底板縱向肋的失穩，在縱向肋間設置T型加勁板[3]。

壓重塊按照階梯形擺放[4]，能最大程度上減少壓重塊件的重量，使得結構布置更趨合理。圖9為采用梯形壓重方法的鋼箱橫截面布置。其左側為曲線內側，右側為曲線外側。

圖9中：1、支撐座；2、分隔板；3、T型加強板；4、縱向肋；5、配重塊。

圖9 鋼箱梁壓重塊擺放示意

其中支撐座為鋼板，擱置在縱向加勁肋和T型加勁板上，其作用是增大壓重塊與縱肋的接觸面積防止構件失穩。

分隔板用來將箱室分隔出若干腔體，在各個腔體內擺放不同高度的壓重塊。

在縱向加勁肋之間焊接T型加勁板，防止縱向加勁肋壓屈失穩。

本文所述的梯形壓重方法，有以下優點：

（1）受力直觀明確，壓重效果明顯。

（2）施工工效高，無需現場混凝土泵送及攪拌，僅僅擺放鋼砂混凝土塊，操作容易且綠色經濟。

（3）若采用傳統的壓重方法，浪費更多材料，而且對于改善支座受力情況有限；

（4）與現有平均壓重或混凝土橋面板壓重相比，施工成本更低，施工更容易，施工周期更短。

4 本技術創新應用前景

針對彎橋特有的受力屬性，即由于彎扭效應影響，曲線內側支座易脫空，如何有效的增加曲線內側支座反力儲備，是每個橋梁建設者迫切關心的問題。本技術創新從結構受力的本源出發尋找出一種切實有效的壓重方法，將彎橋曲線內側的支座反力大幅度增加，避免了今后支座脫空的風險。