獨柱支撐曲線連續(xù)梁橋穩(wěn)定性分析

[摘 要] 文章通過對崇左市某互通立交工程獨柱墩曲線連續(xù)梁橋進行有限元建模及計算，分析曲線半徑、橋長、邊界墩支座間距、獨柱墩支座預(yù)偏心等因素對獨柱墩曲線連續(xù)梁橋穩(wěn)定性的影響；指出只調(diào)整梁的扭矩而忽略梁的扭轉(zhuǎn)變形是不全面的。通過調(diào)整墩頂處支座的位置保證梁在結(jié)構(gòu)自重以及預(yù)應(yīng)力荷載作用下的扭轉(zhuǎn)變形達到最小，同時梁端的支座處不產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，這樣才會使整個梁體結(jié)構(gòu)處于平衡；并分析構(gòu)造要求及施工方法對獨柱墩曲線梁橋穩(wěn)定性的影響。對同類工程設(shè)計及施工有一定指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞] 曲線連續(xù)梁橋；獨柱支承；偏心距

[作者簡介] 張艷東，中鐵四院集團南寧勘察設(shè)計院有限公司橋隧所助理工程師，研究生，廣西 南寧，530003；李鳳芹，中鐵四院集團南寧勘察設(shè)計院有限公司，廣西 南寧，530003

[中圖分類號] U448 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007-7723（2012）10-0071-0003

曲線梁橋目前已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代橋梁工程，在城市立交工程的匝道設(shè)計中更為普遍。匝道橋的寬度較窄，一般多為兩車道，寬度在9～11m；為了實現(xiàn)道路的轉(zhuǎn)向功能，匝道橋多為小半徑的曲線梁橋，平曲線最小半徑可在30m；匝道橋多設(shè)有較大縱坡；匝道橋長度較大，以跨越下面的非機動車道或主干道。由于曲線梁橋相對于普通直線梁橋的特殊性，產(chǎn)生了一系列新的問題，如獨柱支座預(yù)偏心距的設(shè)置，梁體的預(yù)應(yīng)力損失、梁體腹板開裂、整體扭轉(zhuǎn)、變形等[1]，沒有很好地解決。規(guī)范中對曲線梁橋的設(shè)計規(guī)定也較少。相關(guān)研究的不足，導(dǎo)致獨柱墩曲線梁橋較普通直線梁橋發(fā)生的病害、事故更多。查閱已建成的獨柱墩曲線橋梁的檢查資料可知，大部分梁體都存在著不同程度的病害，如梁端支座脫空、產(chǎn)生位移、梁體開裂等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致嚴重的交通事故，造成巨大的生命財產(chǎn)損失。

一、有限元模型

本文以崇左市某互通立交工程中四條匝道的獨柱墩連續(xù)箱梁橋為算例，采用MIDAS civil2010 版進行有限元計算分析，計算中考慮了恒載、鋼筋預(yù)應(yīng)力、支座不均勻沉降、溫度力及活載作用。荷載參數(shù)取值如下：

恒載： 混凝土容重取26kN/m2，護欄單側(cè)每延米重按7.8kN考慮，橋面鋪裝15cm厚瀝青混凝土；支座不均勻沉降按5.0mm計算；有效溫度標準值按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004） 表4.3.10-2中規(guī)定取值；活載：車道荷載（雙車道），設(shè)計速度40km/h。車道荷載分為以下兩個工況。工況一：城市橋梁設(shè)計規(guī)范（ CJJ 11-2011）城-A級荷載；工況二：超載工況，取1.3倍的城市橋梁設(shè)計規(guī)范（ CJJ 11-2011）城-A級荷載，即將均布荷載標準值和集中荷載標準值均乘以1.3的系數(shù)。

使用階段荷載組合為： 恒載、預(yù)應(yīng)力、支座不均勻沉降、溫度力、活載。表1為崇左市某互通立交工程中四條匝道的獨柱墩箱梁，在使用階段兩種活載組合工況下，最小支座反力的結(jié)果統(tǒng)計。曲線梁橋由于產(chǎn)生的扭矩比較大，會造成梁體外側(cè)超載，內(nèi)側(cè)卸載，內(nèi)外側(cè)支座反力差值大，支座位置脫空。工況一，有2處獨柱墩曲線橋出現(xiàn)負的支座反力；工況二，有3處出現(xiàn)負的支座反力。出現(xiàn)最大支座反力的是B匝道5×20 m 的獨柱墩曲線橋，在兩種工況下的支座負反力分別為943 kN、1125 kN， B匝道橋位于直線段與半徑R=45m的圓曲線上，線型變化大，曲線半徑小，因此會產(chǎn)生較大負的支座反力。支座脫空將造成梁體整體向外側(cè)偏移，甚至翻轉(zhuǎn)等隱患，應(yīng)引起設(shè)計人員的足夠重視。

二、獨柱墩曲線梁橋穩(wěn)定性分析

比較表1中的數(shù)據(jù)，可以得出影響?yīng)氈者B續(xù)箱梁橋支座反力的一些基本規(guī)律： 對于相同跨度的橋梁，曲線半徑越小，支座負反力越大；對于相同曲線半徑的橋梁，橋梁越長，支座負反力越大。實際情況下，為滿足使用功能或由于地形條件限制，跨度和曲線半徑是確定的。此時獨柱墩曲線梁橋穩(wěn)定性還受到邊界墩支座間距、獨柱墩支座預(yù)設(shè)偏心等因素的影響。

對于獨柱支承的曲線連續(xù)梁橋，曲線梁體發(fā)生的扭矩，不能通過中支點獨柱墩處支座傳到墩柱和基礎(chǔ)上，而是通過邊界墩處設(shè)置的抗扭支座來傳遞。在滿足邊界墩支座與梁底邊緣最小距離的前提下，盡量增大邊界墩支座間距，可減小支座出現(xiàn)脫空的可能性，提高橋梁的抗傾覆能力，增加橋梁的穩(wěn)定性。

同時，在各中支點獨柱墩支座處設(shè)一定的徑向預(yù)偏心，使梁內(nèi)部扭矩分布比較合理，原則是：全聯(lián)扭矩分布比較均勻，端橫梁支反力差不多大，不出現(xiàn)負反力。具體方法是，計算出梁體在恒載和預(yù)應(yīng)力作用下的扭轉(zhuǎn)角，調(diào)整墩柱偏心距的大小，使梁體各個界面的扭轉(zhuǎn)角接近相等。這樣可以改善曲線梁沿橋軸線的扭矩分布，同時可以控制梁體的扭轉(zhuǎn)變形，增加梁橋穩(wěn)定性。

三、預(yù)偏心距對獨柱墩曲線梁橋的影響

本節(jié)以崇左市某互通立交工程C匝道跨度5×20m，平曲線半徑45m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁為計算模型，分析支座偏心距對曲線橋梁穩(wěn)定性的影響，確定適宜的偏心距。如圖1所示，8#臺和3#邊界墩端支座設(shè)置為對稱的盆式橡膠支座，中支點獨柱墩處支座設(shè)置相同的偏心，都偏向曲線外側(cè)，偏心距變化范圍為0～0.4m。圖4是兩種組合工況下的邊界墩最小支座反力隨支座偏心距的變化情況。兩種工況組合下最大支座反力隨偏心距的變化情況基本一致：隨偏心距的增加，最小支座反力線性增加，當偏心距增大到0.2～0.25m 左右時，最小支座反力達到峰值，此時邊界墩內(nèi)、外側(cè)兩個支座反力分布最為均衡，全聯(lián)扭矩分布比較均勻。因此，對于獨柱墩式曲線梁橋，中墩支座設(shè)置合理的偏心距對改善支座受力性能和提高橋梁的穩(wěn)定性作用是非常明顯的。

四、構(gòu)造及施工方法對獨柱墩曲線梁橋穩(wěn)定性的影響

在獨柱墩曲線梁橋的設(shè)計中，計算分析是必要的，但是構(gòu)造要求和施工方法是使橋梁達到安全使用的可靠保證[2]。

曲線箱梁橋與相應(yīng)的直橋相比，橫隔板要加強，如果內(nèi)橫隔板設(shè)置不適當，橫截面變形引起的變形應(yīng)力可能會導(dǎo)致梁體開裂。曲線梁橋徑向的鋼筋預(yù)應(yīng)力較大，設(shè)計人員必須考慮預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力對梁體腹板曲線內(nèi)側(cè)混凝土壓力，應(yīng)在腹板內(nèi)設(shè)置足夠的防崩鋼筋，以防腹板崩裂和鋼束崩出梁體。

小半徑的曲線梁，設(shè)置墩柱預(yù)偏心后仍會產(chǎn)生支座負反力時，可根據(jù)扭轉(zhuǎn)方向在梁體內(nèi)側(cè)或外側(cè)加配重混凝土[2]，配重混凝土可以選用大容重的鋼渣混凝土，容重可達40～50kN/m3，也可以選用拉力支座。

互通式立交中匝道的曲線梁橋，橋?qū)捯话爿^小，對于確定的橋?qū)?，?yīng)盡量增加箱體寬度減小懸臂寬度，來增加梁體的抗扭性能。由于梁的平面彎曲、縱坡的存在，曲線梁橋在溫度力作用下產(chǎn)生的位移要求梁端伸縮縫既能沿順橋向伸縮又能沿橫橋向伸縮，相比同跨徑的直橋，伸縮縫的變形量應(yīng)適當放大。同時要合理布置支座，尤其是固定支座位置的選擇。鋼筋布置應(yīng)使截面具有足夠的抗扭能力，利于結(jié)構(gòu)抵抗扭矩。

曲線梁橋施工過程中要充分考慮按其受力特點，采用分段施工的梁體，結(jié)構(gòu)在形成整體前，不具備抗扭能力，所以應(yīng)在分段處和支點處使用具有抗扭能力的強力支架。對于整體現(xiàn)澆的梁體，由于抗張拉預(yù)應(yīng)力鋼束引起支架反力增加，外側(cè)箱體范圍的支架應(yīng)予以加強。

五、結(jié) 語

本文通過對崇左市某互通立交工程獨柱墩連續(xù)箱梁橋的有限元建模及計算，分析了曲線半徑、橋長、邊界墩支座間距、獨柱墩支座預(yù)偏心等因素對獨柱墩連續(xù)箱梁橋穩(wěn)定性的影響，增大邊界墩支座間距，合理設(shè)置中墩支座偏心距，可減小支座出現(xiàn)脫空的可能性，提高橋梁的抗傾覆能力，使邊界墩支座反力分布更為均衡，改善橋梁的穩(wěn)定性；同時指出，只調(diào)整梁體扭矩而忽略了梁體的扭轉(zhuǎn)變形也是不全面的。調(diào)整偏心距的大小使梁體在自重和預(yù)應(yīng)力荷載作用下，全聯(lián)扭矩分布比較均勻，端橫梁支反力差不多大，不出現(xiàn)負反力，控制梁體的扭轉(zhuǎn)變形，使梁體達到一個相對的平衡狀態(tài)；并分析了構(gòu)造要求及施工方法對獨柱墩曲線梁橋穩(wěn)定性的影響。

[參考文獻]

[1]霍志芳.獨柱曲線連續(xù)梁橋預(yù)偏心距設(shè)計[J].公路，2007，（7）.

[2]何維利.獨柱支承的曲線梁橋設(shè)計[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2001，（10）.