【摘要】小半徑彎橋的彎扭耦合效應(yīng)比較明顯，特別是寬跨比較大的橋梁，其恒載偏載產(chǎn)生的翹曲現(xiàn)象更突出。本文通過(guò)工程實(shí)例，結(jié)合空間計(jì)算軟件midas civil對(duì)單梁模型和粱格模型進(jìn)行分析對(duì)比，得出剪力柔性粱格法是計(jì)算此類橋梁的相對(duì)比較精確和方便快捷的方法。通過(guò)設(shè)置支座偏心距對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響的的研究，總結(jié)出設(shè)置支座預(yù)偏心能夠有效的解決彎橋的“支座脫空”現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)彎箱梁；結(jié)構(gòu)分析；支座預(yù)偏心

1、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大，市政路網(wǎng)密度也越來(lái)越大，道路間的相互交叉需要設(shè)置跨線橋來(lái)解決交通流的轉(zhuǎn)換。但有限的城市空間、路網(wǎng)遠(yuǎn)期的規(guī)劃、受限的場(chǎng)地條件使得跨線橋呈現(xiàn)出彎、坡、斜、平面異形等特征。由于現(xiàn)澆箱梁具有線形適應(yīng)性強(qiáng)、截面橫向抗彎剛度大、抗扭能力強(qiáng)、整體性好的優(yōu)點(diǎn)，因此成為小半徑曲線橋中普遍使用的一種結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于半徑較小、寬跨比又較大的箱梁而言，曲線內(nèi)、外側(cè)的自重差異較大，在活載偏載、溫度效應(yīng)、汽車離心力效應(yīng)的疊加后，這種差異將更大，反應(yīng)在梁端內(nèi)外側(cè)支座上其支座反力差別也較大，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)反力，即梁體和支座脫離、梁端上翹的“支座脫空”現(xiàn)象。

為了保證結(jié)構(gòu)能夠安全、正常的使用，在工程設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，并采取措施防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。目前常用的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法有平面桿系法、梁格法和空間有限元法。由于平面桿系法是將縱梁等效為具有等剛度的二維桿系單元，其不能考慮橫截面的畸變，因而支座反力值誤差較大，不能真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)橫向受力的差異；空間有限元法是將箱梁整個(gè)截面劃分成很多有限空間單元，可以很精確的得到箱形截面上每點(diǎn)的全部應(yīng)力，但計(jì)算工作量比較龐大；梁格法是用一個(gè)等效梁格來(lái)代表上部結(jié)構(gòu)，其原理就是把分散在箱梁的每一區(qū)段內(nèi)的彎曲和抗扭剛度假定集中于最鄰近的等效的梁格內(nèi)，原結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中到梁格體系的縱向構(gòu)件內(nèi)，橫向剛度則集中到梁格體系的橫向構(gòu)件內(nèi)；理想的梁格剛度是當(dāng)原結(jié)構(gòu)與等效的梁格承受相同的荷載時(shí)，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的撓度是恒等的，而且在任一梁格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩將等于該梁所代表的這部分上部結(jié)構(gòu)截面上應(yīng)力的合力。雖然這種模擬是簡(jiǎn)化近似的，但其精度能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，可以反應(yīng)出橫向支座間的受力差異，相對(duì)于空間有限元法，能夠減少計(jì)算工作量、節(jié)省計(jì)算時(shí)間，因而得到了較廣泛的應(yīng)用。

2、工程實(shí)例

某連接道路兩側(cè)廠區(qū)的天橋全長(zhǎng)646.37m，共分為七聯(lián)，其跨徑布置為：3×10（彎橋）+3×32+6×30+4×24+3×30+3×10（彎橋）+4×30，橋梁全寬9m；其中第一聯(lián)平面位于半徑R=16m的圓曲線上，第六聯(lián)位于徑R=40m的圓曲線上，上部結(jié)構(gòu)（第一、六聯(lián)）均采用現(xiàn)澆等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室截面，梁高1.2m，上頂板寬9m，底板寬5m，為斜腹板箱梁；其他各聯(lián)平面位于直線上，均采用裝配式先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用矩形花瓶墩、薄壁式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩、臺(tái)身與基礎(chǔ)采用承臺(tái)連接。

天橋兩端連接廠區(qū)道路，設(shè)計(jì)速度為15公里/小時(shí)，雙向兩車道，不設(shè)超高，設(shè)雙向2%橫坡，由箱梁頂板調(diào)整形成。設(shè)計(jì)荷載采用公路-II級(jí)（無(wú)重載車通過(guò)），地震動(dòng)加速度峰值：0.15g，場(chǎng)地周期：0.55s，抗震設(shè)防烈度：8度。

第一聯(lián)平面近似位于直角轉(zhuǎn)彎處，曲線半徑只有16m，為了減小曲率對(duì)上部結(jié)構(gòu)的不利影響，跨徑布置采用單跨10m的三跨鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)；為了增強(qiáng)箱梁的穩(wěn)定性、抗扭轉(zhuǎn)能力，在每跨跨中設(shè)置一道30cm厚橫隔板，同時(shí)墩、臺(tái)均橫向布置雙支座。由于受篇幅所限，本文僅對(duì)第一聯(lián)，即半徑R=16m的3×10鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁聯(lián)進(jìn)行計(jì)算分析。

3、支座橫向受力計(jì)算分析

分別采用單梁模型和剪力柔性粱格進(jìn)行計(jì)算，考慮的荷載作用包括結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變、支座強(qiáng)迫位移、活載、結(jié)構(gòu)均勻溫度作用、豎向日照梯度溫差等。荷載組合按JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定對(duì)各種作用進(jìn)行不同的組合，得出最不利荷載組合下的支座反力值。為了反應(yīng)各支座的受力狀態(tài)，看是否有“支座脫空”現(xiàn)象，以正常使用極限狀態(tài)下各墩、臺(tái)最小支座反力值作為控制指標(biāo)。

（1）計(jì)算參數(shù)

設(shè)計(jì)荷載：公路- II級(jí)

相對(duì)濕度：55%

支座不均勻沉降：Δ=5mm

均勻溫差：整體升、降溫均按20℃計(jì)

豎向日照梯度溫差：正溫差為T(mén)=14/5.5℃、負(fù)溫差為T(mén)=-7/-2.75℃

施工方法：滿堂支架整體現(xiàn)澆施工

（2）單梁模型計(jì)算

采用MIDAS CIVIL計(jì)算軟件，劃分平面桿系單元，各墩、臺(tái)處橫向設(shè)置雙支座，各支座距梁中心處距離e=2.0m；按照規(guī)范要求支座橫向力計(jì)算考慮了整體體系升溫（含頂、底板梯度溫度）、支座強(qiáng)迫位移、活載、自重偏載扭矩、離心力作用等。

從表中計(jì)算結(jié)果可以看出，曲線內(nèi)側(cè)（表中加粗字體）支座反力為負(fù)值，支座處于受拉狀態(tài)，即“脫空”；理論上曲線外側(cè)應(yīng)該偏載較大，相應(yīng)的支座反力值應(yīng)較大，但表中值相對(duì)較小且內(nèi)、外側(cè)支座反力的變化趨勢(shì)不合理。

（3）剪力柔性梁格計(jì)算

將箱梁截面橫向?qū)ΨQ的分為兩部分，以腹板形心處作為縱梁軸線建立實(shí)際縱梁?jiǎn)卧?；在端橫梁、中橫梁及跨中橫隔板位置按照實(shí)際尺寸劃分實(shí)際縱、橫單元；虛擬橫梁等效為一字形矩形截面，上、下頂?shù)装搴穸戎妥鳛闄M梁的高度，橫向?qū)挾炔捎脵M梁左、右縱梁?jiǎn)卧獙挾鹊囊话胫?。兩?cè)懸臂部分分別建立虛擬縱、橫梁?jiǎn)卧詼?zhǔn)確的模擬車輛荷載的加載位置，并通過(guò)橫向聯(lián)系梁將活載進(jìn)行合理的傳遞。通過(guò)MIDAS CIVIL計(jì)算軟件中的彈性連接（剛性）將支座節(jié)點(diǎn)與主梁上的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)連接起來(lái)，建立邊界條件，并定義節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系，保證支座反力的正確輸出與查看。

從表中計(jì)算結(jié)果可以看出，曲線外側(cè)支座均處于受壓狀態(tài)，并且反力值較大；中間跨部分曲率最大，橫向彎矩和扭轉(zhuǎn)的作用也更明顯，曲線內(nèi)側(cè)中墩支座處于受拉狀態(tài)，即已經(jīng)“脫空”，這與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)是相吻合的。

（4）計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)于小半徑彎橋，采用常規(guī)的平面桿系單梁模型進(jìn)行受力分析，由于無(wú)法考慮箱梁橫截面的彎曲效應(yīng)，并且本橋箱梁的寬跨比接近1，內(nèi)、外側(cè)彎扭耦合效應(yīng)更劇烈，使得支座反力值與實(shí)際受力狀態(tài)差別較大，不能滿足設(shè)計(jì)要求。而粱格法能同時(shí)考慮箱梁縱向彎曲、橫向彎曲及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，能夠相對(duì)真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因而其支座反力也與實(shí)際值較接近，精度滿足設(shè)計(jì)要求，是作為彎橋而言值得推廣運(yùn)用的計(jì)算方法。

為了減少橫向彎矩、彎扭耦合作用的不利影響，在橋跨跨中設(shè)置跨中橫隔板，提高了橋梁的橫向穩(wěn)定性；通過(guò)設(shè)置橋臺(tái)、橋墩支座合適的預(yù)偏心，改善箱梁的受扭狀態(tài)；同時(shí)在墩、臺(tái)兩側(cè)設(shè)置防震擋塊，防止梁體的橫向滑移。

4、支座預(yù)偏心設(shè)置

由于本聯(lián)曲線半徑較小，箱梁內(nèi)外側(cè)的自重差異較大，在與汽車偏載、離心力、溫度效應(yīng)等組合后，在支座距梁中心的間距均為e=2.0m時(shí)，內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)了“脫空”現(xiàn)象，這在設(shè)計(jì)中是不允許的，而作為能夠有效解決此現(xiàn)象的調(diào)整方式，設(shè)置支座預(yù)偏心會(huì)調(diào)整結(jié)構(gòu)處于相對(duì)較好的受力狀態(tài)。支座預(yù)偏心的取值是個(gè)嘗試的過(guò)程，根據(jù)不同的偏心值分析其受力狀態(tài)及變化規(guī)律，從而得到相對(duì)理想的數(shù)值。本聯(lián)通過(guò)對(duì)橋臺(tái)、橋墩分別設(shè)置不同的預(yù)偏心值，使得自重作用下及最不利組合下各支座均處于受壓狀態(tài)，解決了支座的“脫空”現(xiàn)象，并保證了一定的富裕度。同時(shí)箱梁的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)也得到了明顯改善，結(jié)構(gòu)處于較好的受力狀態(tài)。

5、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于目前公路、城市道路立交中越來(lái)越多的小半徑彎橋，通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的分析論證，總結(jié)出了合適的計(jì)算方法，并對(duì)此類橋梁容易出現(xiàn)的支座“脫空”現(xiàn)象給出了有效的調(diào)整方法：

（1）粱格法是一種相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)且精度滿足設(shè)計(jì)要求的空間計(jì)算方法，應(yīng)用于小半徑彎橋結(jié)構(gòu)分析中是合適的、準(zhǔn)確的。

（2）曲率越大、橋梁越寬結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)受力差異越大，彎扭耦合效應(yīng)越顯著。

（3）設(shè)置墩、臺(tái)支座的偏心距能快速、有效的調(diào)整上部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，為了限制梁體位移，可在墩臺(tái)兩側(cè)設(shè)置限位塊。

以上僅為本人在工作中總結(jié)出的幾點(diǎn)體會(huì)，僅供設(shè)計(jì)同行們參考，不妥之處，懇請(qǐng)指正。

參考文獻(xiàn)

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