基于支座預(yù)偏心設(shè)置下曲線梁橋設(shè)計研究

沈東強

摘 要：曲線梁橋面臨著梁體傾覆、支座脫空等病害。本文采用Midas/Civil有限元軟件建模分析支座預(yù)偏心量對曲線梁橋受力和位移的影響。分析結(jié)果表明，支座預(yù)偏心設(shè)置對梁端內(nèi)外側(cè)支座支反力起到了重分布的作用，且能改善扭矩在梁體內(nèi)的分布情況，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：曲線梁橋;支座預(yù)偏心;獨柱墩;支反力

0 引言

近年以來，隨著城市軌道交通的大力建設(shè)，橋梁面臨的交通運輸壓力以及功能需求也日益增大。因此，曲線橋梁以其獨特的轉(zhuǎn)向功能、對地形空間需求小等優(yōu)點受到設(shè)計師的廣泛關(guān)注。在設(shè)計手段欠缺和有限元軟件匱乏的年代，通常采用“以直代曲”的方法來調(diào)整橋梁平面曲線[1]。曲線梁橋使橋梁建筑與周圍自然美景融為一體，大大提升了橋梁的美學(xué)造詣[2]。

與直線梁橋相比，曲線梁橋主梁彎-扭耦合效應(yīng)[3]顯著。受到橋下凈空等因素影響，中間墩往往采用獨支座設(shè)計，由此便增加了扭矩在梁體內(nèi)的一個傳力長度[4]，導(dǎo)致梁端部需要采用更強的抗扭約束。另外，不合理的支座布置形式還會導(dǎo)致梁體偏轉(zhuǎn)、側(cè)移、支座脫空等病害的發(fā)生。

1 支座預(yù)偏心設(shè)置

1.1 曲線梁橋病害

首先，由于梁體內(nèi)外兩側(cè)曲線長度不同，自重?zé)o法平衡，在自重的作用下會在固結(jié)中支墩處產(chǎn)生徑向彎矩，使墩臺受拉，墩身出現(xiàn)開裂[5]。其次，在重力和系統(tǒng)升溫共同作用下，梁體會產(chǎn)生向外側(cè)的線位移，當(dāng)其累積到一定量時，梁體有發(fā)生傾覆的危險[6]。

1.2 曲線梁橋支座預(yù)偏心設(shè)置的必要性

曲線梁橋在恒載的作用下，會因截面體積重心的偏心而產(chǎn)生沿梁長分布的均布扭矩，且曲線半徑越小，效應(yīng)越發(fā)明顯[3]。對于不設(shè)置支座偏心的曲線梁橋，在梁端附近扭矩最大。而支座預(yù)設(shè)偏心后，預(yù)偏心支座處的豎向反力對梁剪切中心產(chǎn)生的附加偏心力矩在邊跨達(dá)到最大[7]，且方向與無偏心設(shè)置時的梁端扭矩相反，大大改善了結(jié)構(gòu)的扭矩分布情況，使梁端扭矩峰值大大減小。

2 工程實例

2.1 工程概況

陜西某等截面曲線連續(xù)梁橋四跨一聯(lián)，每跨20 m，曲率半徑為75 m，單幅橋面總寬10.8 m，凈寬8.75 m，箱梁高度1.2 m。采用獨柱式墩、肋式橋臺和樁基礎(chǔ)，設(shè)計荷載：汽車-超20級，掛車-120;地震烈度：7度，梁體截面尺寸如圖1所示。

3 數(shù)值計算模型

本文采用橋梁專業(yè)軟件Midas/Civil對該單聯(lián)四跨橋進(jìn)行有限元建模。全橋共計98個節(jié)點，90個單元，7個彈性連接，7個剛性連接。P1、P3支座布置預(yù)偏心范圍為0 m～0.25 m，每組工況以0.05 m為間隔布設(shè)偏心支座，簡化模型如圖2所示。

4 計算結(jié)果分析

4.1 支座反力

在自重作用下，P1、P3預(yù)設(shè)不同的偏心距時支座反力的大小見表1。

從表1可以看出，支座預(yù)設(shè)偏心對橋梁端部支反力差值過大的情況有所改善。在支座偏心距設(shè)置為0 m～0.15 m這個區(qū)間，橋梁端部外側(cè)支座支反力逐漸減小，而內(nèi)側(cè)支座支反力在逐漸增大，內(nèi)外側(cè)支座支反力逐漸趨于相等，當(dāng)偏心距預(yù)設(shè)為0.15 m時，二者大小基本一致，使支座反力得到重新分配。

4.2 扭矩

如圖3～4所示，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加支座的偏心距可以有效降低曲線梁橋端部的扭矩，使得梁端在自重作用下受到過大扭矩的情況有所改善。增加支座偏心距使得梁體端部扭矩整體向下平移，在偏心距設(shè)置為0.15 m（圖4）時，梁端幾乎不受到扭矩作用。而當(dāng)進(jìn)一步增加偏心距時，梁端又會受到一個與之前方向相反的扭矩。

在自重作用下，端支座反力差值和扭矩與偏心距近似呈線性相關(guān)。在支座偏心距設(shè)置在0 m～0.15 m這個區(qū)間內(nèi)時，增大偏心距可使得內(nèi)外側(cè)支座支反力差值減小，使得反力得到了重分配，同時梁端扭矩也逐漸減小，對曲線梁橋受力也更加有利。需要注意的是，當(dāng)支座偏心距設(shè)置超過0.15 m時，內(nèi)側(cè)支座支反力會大于外側(cè)，同時曲線梁橋端部形成一個與未設(shè)置支座預(yù)偏心情況下方向相反的扭矩，有向外側(cè)傾覆的風(fēng)險。

4.3 彎矩

從上述計算圖示可以看出，在自重作用下，曲線梁橋全橋受彎情況受支座預(yù)偏心影響較小，相比于未設(shè)置預(yù)偏心支座，支座預(yù)偏心0.15 m時的橋梁的彎矩僅增長了0.87%，僅與自身受力情況相關(guān)。綜上所述，曲線梁橋支座偏心與否，不影響全橋的受力情況。

5 結(jié)論

經(jīng)過對不同支座偏心量下，曲線梁橋受力和位移的研究，本文得出以下結(jié)論：

（1）在0 m～0.15 m這個范圍內(nèi)，增大支座預(yù)偏心量會減小外側(cè)支座支反力同時增大內(nèi)側(cè)支座支反力，并逐漸使二者趨于同一水平，達(dá)到支反力重分布的作用。

（2）調(diào)整支座預(yù)偏心量會起到改善扭矩在橋梁段分布的作用，降低梁端抗扭支座處扭矩大小，當(dāng)支座預(yù)偏心量為0.15 m時，改善效果最佳。

（3）獨柱墩中支座曲線梁橋設(shè)置預(yù)偏心量對全橋的彎矩影響幅度很小，基本可以忽略。

（4）中間采用獨柱墩設(shè)計的曲線梁橋經(jīng)常發(fā)生失穩(wěn)事故，在設(shè)計時，應(yīng)合理設(shè)計支座預(yù)偏心度，提高曲線梁橋抗傾覆的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[7]劉海桃.獨柱支承曲線梁橋中支座預(yù)偏心設(shè)置研究[J].交通科技，2011（5）：1-3.