胡志穩(wěn)

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙　410008)

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小半徑曲線梁橋支承方案設(shè)計優(yōu)化

胡志穩(wěn)

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙410008)

摘要：支承方式?jīng)Q定著曲線梁橋主梁的受力形式與抗傾覆穩(wěn)定性。合理的支承布置形式不僅能使小半徑匝道橋有著更好的受力穩(wěn)定性，同時也能有效降低橋梁服役期間的病害發(fā)生幾率，減少投資，增加效益。通過研究小半徑曲線梁橋在不同的支承方案下的主梁內(nèi)分布情況及全橋抗傾覆穩(wěn)定性，提出曲線橋支承方案相應(yīng)的工程輔助措施，為今后小半徑曲線橋的支承方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：小半徑； 曲線梁橋； 支承設(shè)計； 內(nèi)力分析； 抗傾覆穩(wěn)定性； 支承方案

0前言

高速公路中的互通樞紐、城市互通立交中的小半徑曲線線型，其橋跨構(gòu)造物較多的采用多跨一聯(lián)的連續(xù)箱梁作為其上部結(jié)構(gòu)形式。然而曲線梁橋運營期間在荷載作用下主梁斷面會產(chǎn)生較大的扭矩[1]，隨著曲線半徑的減少，單聯(lián)所覆蓋的扇形圓心角不斷增大，由此引起主梁的“彎-扭耦合”效應(yīng)更加突出。此外，偏載作用下直接增強了內(nèi)側(cè)支座脫空現(xiàn)象，情節(jié)嚴重者甚至會導致曲線梁橋的傾覆，此類事故在國內(nèi)外屢見不鮮[2]。小半徑曲線梁橋有著較為復(fù)雜的空間受力形式[3]。實際工程設(shè)計中，確定的曲線線位與橋跨形式下唯有選擇合理的支承形式才能使得全橋在保證良好的受力性能的前提下具備有較高的抗傾覆穩(wěn)定性。因而對不同支承條件下的主梁受力進行精確細致地計算和分析，于小半徑曲線橋受力和抗傾覆性能的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

早期曲線梁橋的結(jié)構(gòu)計算理論經(jīng)歷了從解析法到數(shù)值法的發(fā)展。近年來多種空間有限元結(jié)構(gòu)分析軟件的不斷推出，國內(nèi)外學者得以對其受力特點和承載性能有了更加深入的研究。諸多研究工作大多集中在曲線梁橋的支座反力情況、抗扭性能的影響因素等[4]。亦有學者探究支承形式、支座的布置方式等下部結(jié)構(gòu)的改變所帶來的主梁受力穩(wěn)定性的變化[5]。但是，現(xiàn)階段諸多研究成果表明，通過曲線梁受力性能分析結(jié)果為依據(jù)進行主梁抗傾覆穩(wěn)定性驗算較為繁瑣。而國內(nèi)的公路橋梁設(shè)計規(guī)范中也沒有為設(shè)計行業(yè)提供一個簡潔、可靠、適合工程應(yīng)用的抗傾覆驗算方法。鑒于此，本文通過研究小半徑曲線梁橋在不同的支承方案下的主梁內(nèi)分布情況及全橋抗傾覆穩(wěn)定性，提出曲線橋支承方案相應(yīng)的工程輔助措施，為今后小半徑曲線橋的支承方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1曲線梁橋的支承布置形式及曲線梁橋的受力特點

對于曲線梁橋，下部結(jié)構(gòu)支承的布置方式直接影響著主梁傾覆軸的相對位置，從而影響主梁的抗傾覆性能。對于曲線梁橋，實際工程中的全聯(lián)支承布置形式可歸納為以下主要的4種(以小半徑圓曲線上4跨一聯(lián)等跨徑布置的連續(xù)梁橋為例，聯(lián)端支承布置形式均為抗扭型支承)：

1) 全聯(lián)設(shè)置為獨柱墩支承(圖1a中所示)；

2) 全聯(lián)設(shè)置為獨柱墩偏心支承(圖1b中所示)；

3) 混合型支承布置方式(圖1c中所示)；

4) 全聯(lián)設(shè)置為抗扭型支承(圖d中所示)。

其中前2種在對經(jīng)濟、城市景觀等有較高要求的工程項目使用較多，第3種則在下穿道路設(shè)有中央綠化帶的工程項目中有較多的運用，對經(jīng)濟美觀要求較小的工程則主要采用第4種。

圖1　下部結(jié)構(gòu)支承布置方式

在曲線梁橋受荷載作用，由于彎-扭耦合作用，主梁軸線會受到因曲率中心偏離主梁中心線的彎矩和扭矩帶來的雙重影響。在此，通過選取曲線梁段微元ds，已知曲梁單位長度上的扭矩mt、豎向均布荷載為q，取A至B弧長方向為正方向(如圖2中所示)，建立微段的平衡方程，方程如下：

2018年10月2日凌晨5時30分許，范某某在他提前部下的網(wǎng)具上收鳥時，被蹲守在山上的民警當場抓獲，其違法獵捕國家二級保護動物3只（2只存活，已放生），省重點保護動物5只。

圖2　微段平衡示意圖

(1)

(2)

(3)

式中，不難發(fā)現(xiàn)在均布荷載作用下主梁跨中會在梁端產(chǎn)生較大的彎矩和扭矩，而在實際橋梁結(jié)構(gòu)中，梁頂面均布荷載可以視作由自身恒載、橋面鋪裝及車輛均布荷載等多種荷載組合作用后的效應(yīng)值。因而，隨著均布荷載集度越來越大，主梁受彎-扭耦合作用帶來的影響逐漸增大，對全橋的承載穩(wěn)定性帶來的不利影響也趨于明顯。

由此，歸納出設(shè)置抗扭型支承方式和設(shè)置獨柱墩支承的多種支承方式下的主梁宏觀受力特征，多跨曲線梁橋受力具有以下特點：

1) 對于獨柱墩的下部布置方式，由于單支座不能向大地傳遞扭矩，墩頂梁截面扭矩會順延梁軸線傳遞至聯(lián)端支座上。

2) 對于獨柱墩偏心布置方式，通過主梁自身重力與支承軸線的偏心距輔助主梁的抗扭性能。然而，傾覆軸內(nèi)側(cè)自重變大，不平衡的自重偏心彎矩對端聯(lián)內(nèi)側(cè)支座帶來了拉力效應(yīng)。而此類支承方式在實際工程中能帶來的控制效應(yīng)有限，偏心設(shè)置也過于保守。

3) 對于混合布置和全抗扭支承的布置方式，由于中間抗扭支承可以承擔一部分扭矩，從而減輕聯(lián)端支座的受力。

2曲線梁橋的梁格法計算

2.1工程實際模型

分析模型選取某高速公路互通匝道橋，上部結(jié)構(gòu)為4×20 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，全聯(lián)位于半徑為60 m圓曲線的平面線形上，設(shè)計時速為40 km/h；設(shè)計荷載等級為公路Ⅰ級；橋面凈寬9 m；每跨跨中設(shè)中橫隔板，寬度0.3 m；聯(lián)端支座橫向間距為5 m，支座均采用盆式橡膠支座；橋型平面示意圖如圖3中所示，主梁標準橫斷面如圖4中所示。

圖3　橋型平面布置(單位： cm)

圖4　箱梁標準橫斷面尺寸圖(單位： cm)

通過Midas-Civil橋梁結(jié)構(gòu)計算軟件建立該聯(lián)主梁空間梁格計算模型，于圖5中示出。主梁計入最不利移動荷載工況為沿最外側(cè)加兩車道偏載，同時計入整體升溫(整體降溫)、溫度梯度等標準工況，并對多種工況按照規(guī)范中承載能力極限進行荷載組合，分析在4種不同的支承條件下結(jié)構(gòu)支座反力值、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況。

圖5　主梁梁格計算模型

2.2不同支承下支座反力值

根據(jù)主梁在不同支承邊界組下的荷載分布與支座反力值，統(tǒng)計得出各支承下的主梁支座豎向反力值，并匯總于表1中。根據(jù)計算結(jié)果，在曲線梁的“彎-扭耦合”作用效應(yīng)下，內(nèi)外側(cè)支座反力噸位大小不一，嚴重的時候內(nèi)側(cè)支座甚至會出現(xiàn)負反力的可能，形成實際工程中曲線梁橋的支座脫空病害。同時，計算發(fā)現(xiàn)曲線梁外側(cè)支座的豎向支反力是內(nèi)側(cè)的2～5倍。不同的支承設(shè)置下，主梁內(nèi)外側(cè)支座反力的差值隨主梁設(shè)置抗扭支承的減少而增大。曲線梁橋的橫橋向支反力的不均的受力現(xiàn)象，是導致梁體發(fā)生傾覆的主要原因。

表1 支座豎向反力匯總kN類別抗扭型支承獨柱墩支承獨柱墩偏心支承混合型支承內(nèi)側(cè)外側(cè)內(nèi)側(cè)外側(cè)內(nèi)側(cè)外側(cè)內(nèi)側(cè)外側(cè)0號臺878.81814.6441.82293.3569.22413.8749.42086.21號墩1866.23359 5056.34873.34791.62號墩1956.22900.24566.54479.81518.43648.33號墩1865.33327 4899.15115.64694.84號臺915.11724.7479.92351.3564.92502.8757 1985.9

2.3不同支承下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

對于比較不同支承條件下主梁內(nèi)力分布，比較不同截面位置的主梁彎矩值，如表2中所示。分析發(fā)現(xiàn)：抗扭支承跨中正彎矩較獨柱墩大，墩頂處的負彎矩則同比較小，混合型支承下的主梁彎矩值位于兩者中間。其原因在于移動荷載的偏載效應(yīng)以及溫度變化等荷載作用下會引起超靜定結(jié)構(gòu)次生附加內(nèi)力的產(chǎn)生，抗扭支承的邊界條件增加了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，使得主梁內(nèi)力進一步增大。此外，梁格模型計算得到曲線梁內(nèi)外側(cè)腹板受力不均，驗證了在自重作用下曲線梁外側(cè)腹板呈加載趨勢，內(nèi)側(cè)腹板呈卸載的受力模式。

表2 不同支承條件下主梁各截面彎矩值匯總(kN·m)類別第1跨第2跨第3跨跨中墩頂跨中墩頂跨中墩頂?shù)?跨跨中抗扭型支承8549-29297331-17387592-30019071獨柱墩支承8412-38366720-16275779-40448982獨柱墩偏心支承9056-36626953-15536316-37659151混合型支承8676-29667127-17387202-29648842

3曲線梁橋的抗傾覆穩(wěn)定性

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)中對整體式斷面的中小跨徑梁橋上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性建議采用如式(4)進行驗算。

(4)

式中：γqf為上部結(jié)構(gòu)主梁的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；Ssk為極限荷載下上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆的汽車荷載(含沖擊作用)效應(yīng)的標準值；Sbk為上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載的作用效應(yīng)標準組合值。

對于曲線橋的傾覆，是在車輛荷載的傾覆彎矩作用下，一側(cè)受壓支座依次脫空，邊界失效而失去平衡傾覆的過程。規(guī)范中則提出曲線梁橋的抗傾覆能力提出選用式(5)進行驗算。

(5)

式中：RGixi為成橋狀態(tài)下的主梁的各個支座的支反力值；xi為各個支座到傾覆軸線的垂直距離；μ為沖擊系數(shù)； qk、Pk分別為移動荷載的均布荷載值

與集中荷載值；Ω為主梁傾覆軸線與橫橋向加載車道間所圍成的面積；e為橫向加載車道到傾覆軸線垂直距離的最大值。

通過比較4種支承條件下主梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)發(fā)現(xiàn)，當全聯(lián)采用抗扭型支承時上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最大，結(jié)構(gòu)最安全，獨柱墩支承方式主梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小，安全儲備最低，獨柱墩偏心支承方式的抗傾覆系數(shù)小于混合型支承方式，且兩者的穩(wěn)定性儲備值位于其他兩者之間。

4結(jié)論

文中通過對實際工程中4種小半徑曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)支承方式進行主梁內(nèi)力與抗傾覆性能的比較，借助有限元梁格法模型進行分析并得出如下結(jié)論：

1) 工程中小半徑曲線梁橋的支承方式盡可能地采用抗扭型支承方式，以免發(fā)生曲線梁內(nèi)側(cè)卸載，外側(cè)加載的現(xiàn)象。在聯(lián)端相應(yīng)設(shè)置抗拔支座、高墩設(shè)置墩梁固結(jié)等措施，有效防止支座脫空和梁體傾覆，如果受條件限制也可以選擇獨柱墩與抗扭型支承交叉布置的形式。增加中間支承的數(shù)量能明顯增大上部結(jié)構(gòu)主梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

2) 小曲線半徑梁橋內(nèi)外側(cè)支座的豎向反力值相差較大，設(shè)計時應(yīng)分別對內(nèi)外側(cè)支座進行設(shè)計選型。以免造成外側(cè)支座的承載力不足而導致支座失效或者內(nèi)側(cè)支座噸位過大造成工程的不經(jīng)濟。

3) 對于支座布置，有條件時盡可能增大支座間間距，對于小半徑曲線梁窄橋，可適當增大端部截面底板寬度來提高其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。施工期間支座埋設(shè)時，需與設(shè)計方嚴格核對支座約束的方向和活動方向，保證主梁的合理變形。

4) 小半徑曲線梁橋主梁施工期間應(yīng)特別引起注意主梁頂面的不平衡堆載問題，施工材料或施工機械等宜均勻放置。護欄等的施工順序，應(yīng)先澆筑內(nèi)側(cè)護欄，后澆筑外側(cè)護欄，以免由于施工偏載導致梁體發(fā)生傾覆。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0174-03

收稿日期:2016-05-25

作者簡介:胡志穩(wěn)( 1979-) ，男，工程師，主要從事公路橋梁的設(shè)計工作。

中圖分類號：U 442.5+4

文獻標識碼：A