支承方式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋受力性能的影響研究

楊?lèi)?ài)民，盧文鋒，劉 泉，李茂奇

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津市300074；2.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150040)

0 前言

改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，高等級(jí)公路及城市道路建設(shè)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)交通設(shè)施的需求量也隨之加大，交通運(yùn)輸業(yè)蓬勃興起。曲線(xiàn)橋[2]因布置靈活、受場(chǎng)地限制較小等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為高速公路、立交橋梁和高架橋梁中的一種不可或缺的重要橋型。這些立交橋和高架橋不僅緩解了所在城市的交通，而且還增添了所在城市的環(huán)境美觀，成為一道亮麗的風(fēng)景線(xiàn)，滿(mǎn)足安全美、功能美、結(jié)構(gòu)美、經(jīng)濟(jì)美、視覺(jué)美、環(huán)境美的要求。高等級(jí)公路在路線(xiàn)線(xiàn)形方面要求越來(lái)越高，在公路建設(shè)中，除特大橋梁外，一般要求橋梁的平面布置服從公路線(xiàn)形，在進(jìn)行平、縱、斷面三方面綜合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做到平面流暢、縱坡均衡、橫斷面合理。

由于受地形、地物和占地面積的影響，在城市中立交橋往往受到用地面積的限制，所以曲線(xiàn)橋多為小半徑的曲線(xiàn)梁橋，行車(chē)速度小的特殊橋梁平曲線(xiàn)半徑可達(dá)到25 m[3]。在曲線(xiàn)梁橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為減少占用士地、改善下部結(jié)構(gòu)布局、增加視野和橋形美觀，其下部墩柱往往采用獨(dú)柱支承方式，這種形式的曲線(xiàn)梁橋受力狀態(tài)較為復(fù)雜，支承方式的選擇對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋的受力影響較大[4]。

1 不同支承方式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋受力性能的影響

1.1 工程概況

某小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋設(shè)在一圓曲線(xiàn)上，曲線(xiàn)半徑R=75 m。單孔跨徑為25 m,孔跨布置為4×25 m+3×25 m+3×25 m，共三聯(lián)十跨，橋長(zhǎng)250 m。取邊跨一聯(lián)三跨為研究對(duì)象，平面布置見(jiàn)圖1。主梁截面形式采用高1.8 m 的魚(yú)腹式普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，為單箱五室，主梁橫斷面見(jiàn)圖2。橋墩形式為獨(dú)柱式橋墩，橋墩截面為底部?jī)蓤A相交，向上橫向呈酒杯狀擴(kuò)展，橋梁支承形式見(jiàn)圖3。橋面寬度：12 m+2 m×0.5 m 防撞墻。設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)：城-A 級(jí)，人群：4 kN/m2。

采用梁格法[5][6]進(jìn)行建模，全橋共分成213 個(gè)單元，其中120 個(gè)縱梁?jiǎn)卧?3 個(gè)橫梁?jiǎn)卧?。橋梁平面有限元模型?jiàn)圖4。

采用兩種支承方式，一種是所有支座均為雙支座，另外一種是曲線(xiàn)橋兩端是雙支座，跨中為單支座，現(xiàn)在考察這兩種支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋受力性能的影響。具體支承情況見(jiàn)圖5、圖6。分別考察汽車(chē)荷載和恒載作用下的影響，汽車(chē)荷載模擬城-A 級(jí)。以邊肋為例考察不同支承形式對(duì)受力的影響，分別取端支點(diǎn)處、1/8 跨、1/4 跨、3/8 跨、1/2 跨、5/8 跨、7/8 跨、邊支點(diǎn)、1/8 跨、1/4 跨、3/8 跨、1/2 跨等幾個(gè)位置作為測(cè)點(diǎn)。

1.2 不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋縱向彎矩的影響

首先，考察不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋縱向彎矩的影響，通過(guò)建立模型，可得在汽車(chē)荷載作用下，不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)梁橋縱向彎矩的影響情況見(jiàn)圖7；在恒載作用下，不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)梁橋縱向彎矩的影響情況見(jiàn)圖8。

由圖7 可知：在汽車(chē)荷載作用下，邊支點(diǎn)處的彎矩值變化較大，采用單支座時(shí)的縱向彎矩值是采用雙支座時(shí)彎矩值的2.0 倍，除邊支點(diǎn)處縱向彎矩值變化較大以外，中間獨(dú)柱墩采用雙支座和采用單支座對(duì)其他各點(diǎn)縱向彎矩值的影響非常小，差值均在5%以?xún)?nèi)。

由圖8 可知：在恒載作用下，中間獨(dú)柱墩采用雙支座和采用單支座對(duì)其他各點(diǎn)縱向彎矩值的影響非常小，變化值均在5%以?xún)?nèi)。

所以，中間獨(dú)柱墩采用雙支座還是采用單支座對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋縱向彎矩值的影響較小。

1.3 不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋扭矩的影響

然后，考察不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋扭矩的影響，在汽車(chē)荷載作用下，不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)梁橋扭的影響情況見(jiàn)圖9；在恒載作用下，不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)梁橋扭矩的影響情況見(jiàn)圖10。

由圖9 可知，在汽車(chē)荷載作用下，除中支點(diǎn)處采用雙支座時(shí)的扭矩值小于采用單支座時(shí)的扭矩值外，其他各點(diǎn)采用單支座時(shí)的扭矩值明顯大于采用雙支座時(shí)的扭矩值，單支座時(shí)的扭矩值是雙支座時(shí)扭矩的1.3～2.7 倍，這是由于采用雙支座時(shí)，雙支座可以大大減小小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋的“彎－扭”耦合作用。在3/4 邊跨和7/8邊跨處，采用雙支座時(shí)的扭矩值大于采用單支座時(shí)的扭矩值，這是由于雙支座的約束作用，扭矩值不能通過(guò)支座向橋墩傳遞，而是向主梁的兩端傳遞，使得扭矩值發(fā)生了一個(gè)偏位。

由圖10 可知，在恒載作用下，邊跨各點(diǎn)采用單支座時(shí)的扭矩值明顯大于采用雙支座時(shí)的扭矩值，但是中支點(diǎn)處的扭矩值有一個(gè)突變。這是由于采用單支座時(shí)，由于小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋存在明顯的“彎－扭”耦合作用，使得外梁出現(xiàn)超載現(xiàn)象，扭矩變化明顯。

所以，采用雙支座可以大大減小小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋的“彎－扭”耦合作用，使其受力均衡，變化平緩，有效避免出現(xiàn)過(guò)大的扭矩值。

1.4 不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋支座受力的影響

最后，考察不同支承形式對(duì)小半徑魚(yú)腹式連續(xù)曲線(xiàn)箱形梁橋支座受力性能的影響，不同支承情況下端部支座反力值見(jiàn)表1。

表1 不同支承時(shí)支座反力情況表（單位：kN）

由表1 可知，單支承形式有單支座變成雙支座時(shí)，外梁側(cè)支座的支反力由4 090 kN 減小為3 830 kN，減小了6.4%，內(nèi)梁側(cè)支座的支反力由1 280 kN 增加到1 540 kN，增加了20.3%，但是內(nèi)外支座的支反力和相等；采用雙支座時(shí)，端支承處的內(nèi)、外支座反力值之差小于采用單支座時(shí)端支承處內(nèi)、外支座反力值之差。采用單支座時(shí)中墩支座的反力為14 000 kN，小于采用雙支座時(shí)內(nèi)外支座之和為6 720 kN+7 290 kN=14 010 kN，但是差距不大。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，采用雙支座并不能減小支座反力，只是將外側(cè)支座的支反力減小，內(nèi)側(cè)支座的支反力增加，使得內(nèi)、外支座的受力相差越來(lái)越小，避免出現(xiàn)過(guò)大的外梁超載，內(nèi)梁卸載現(xiàn)象，避免內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)拉應(yīng)力。除了采用雙支座可以減小內(nèi)梁卸載，外梁超載現(xiàn)象外，還可以采用對(duì)單支座預(yù)設(shè)偏向的方式，是小半徑魚(yú)腹式連續(xù)箱形梁橋受力合理。

2 結(jié)論

從上面分析可以得出以下結(jié)論：

（1）全橋采用雙支座可以有效減小扭矩值，但是對(duì)縱向彎矩值影響不大。

（2）全橋采用雙支座不能減小支座的支反力之和，只是使內(nèi)梁支座的支反力增加，外梁的支反力減小，支反力重新得到了分配。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2007.362.

[2]高島春生,等.斜梁橋[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1978.81-89.

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[5]Edmund C.Halnby.Bridge Deck Behaviour[M].London,ChaPman an Hall Ltd,1976.1-89.

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