王 靜

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 概述

隨著我國城市建設(shè)和高速公路的快速發(fā)展，立體交叉大量出現(xiàn)，小半徑彎橋得到大范圍的應(yīng)用。但在實(shí)際所建成的曲線梁橋中，支座被剪斷、爬移等工程事故多次出現(xiàn)。溫度引起的向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢(shì)也十分明顯[1-2]。然而，在以往的研究中，人們往往重視彎橋中支座的布置方式對(duì)橋梁主梁受力的趨勢(shì)和利弊的研究，而就支座的布置方式對(duì)支座本身受力的影響研究較少。

2 曲線梁橋受力特性

直梁結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)變形，根據(jù)外荷載的作用方式較容易確定，如溫度荷載作用下，結(jié)構(gòu)沿橫向和縱向兩個(gè)方向的變形可分別計(jì)算，無需疊加；曲梁結(jié)構(gòu)的平面變形則不同，由于彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合變形原因，結(jié)構(gòu)沿橫向（ΔV）和縱向（ΔU）兩方向的變形不可分別計(jì)算，如圖1所示。不僅溫度作用如此，其收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、制動(dòng)力、離心力、地震力等作用亦是如此[3]。

圖1 曲梁平面變形

雖然曲梁平面變形較為復(fù)雜，但根據(jù)荷載作用力的方向可以大致判別平面變形情況。對(duì)于溫度作用，曲梁弧段膨脹或縮短此時(shí)弧段的半徑變化而圓心角不變，即半徑r0→r，而圓心角φ0=φ；對(duì)于預(yù)應(yīng)力作用，曲梁弧段的變形與預(yù)應(yīng)力布置有關(guān)，一般講弧段的半徑和圓心角都在變，即半徑r0→r，φ0→φ；對(duì)于收縮徐變作用，曲梁弧段的變形與溫度、預(yù)應(yīng)力作用有關(guān)，一般講弧段的半徑和圓心角都在變化，即半徑 r0→r，φ0→φ；對(duì)于制動(dòng)力、風(fēng)力、地震力作用，曲梁弧段的變形與這些力的作用點(diǎn)和方向有關(guān)，一般講弧段的半徑和圓心角都在變化，即半徑r0→r，φ0→φ.

在各種作用中，溫度對(duì)支座橫向受力的影響尤為突出[4-5]。支座橫向受力和橋梁平面半徑、溫度有密切的關(guān)系。此研究，對(duì)實(shí)踐中彎橋布置橋梁支座具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3 工程實(shí)例分析對(duì)比

為比較溫度、圓曲線半徑和支座橫向力的關(guān)系，現(xiàn)以4×20 m連續(xù)現(xiàn)澆箱梁為例，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。箱梁頂寬8.5 m，箱梁高度1.4 m，懸臂長度2 m，平面位于半徑分別為50 m、60 m、70 m的圓曲線上。下面分別建立不同的有限元模型，施加不同溫度下相同的荷載[6]，比較溫度作用力下支座的受力情況。

圖2 支座布置圖

箱梁支座具體布置如下：

a）0號(hào)墩1號(hào)支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；0號(hào)墩2號(hào)支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

b）1號(hào)墩1號(hào)支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；1號(hào)墩2號(hào)支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

c）2號(hào)墩1號(hào)支座采用固定支座；2號(hào)墩2號(hào)支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)闄M向。

d）3號(hào)墩1號(hào)支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；3號(hào)墩2號(hào)支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

e）4號(hào)墩1號(hào)支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；4號(hào)墩2號(hào)支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

3.1 有限元模型的建立

本次計(jì)算利用空間有限元程序MIDAS CIVIL建立模型，全橋采用梁單元建立，主梁和支座節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，支座采用彈性連接模擬，如圖3。模型建立好以后，分別調(diào)整支座彈性連接的角度，以模擬支座滑動(dòng)方向的調(diào)整，如圖4。

圖3 有限元模型圖

圖4 有限元模型支座布置

3.2 溫度、圓曲線半徑和支座橫向力的關(guān)系

為研究溫度、圓曲線半徑和支座橫向力的關(guān)系，本次建立3個(gè)有限元模型，分別為 50 m、60 m、70 m半徑，施加整體升溫荷載，以比較分析溫度、圓曲線半徑對(duì)支座橫向力大小的影響。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如表 1、表 2。

表1 0號(hào)墩1號(hào)支座不同半徑、不同溫度下支座橫向力 kN

圖5 0號(hào)墩1號(hào)支座溫度和支座橫向力的關(guān)系

圖6 1號(hào)墩1號(hào)支座溫度和支座橫向力的關(guān)系

由表1、表2和圖5、圖6可以看出，溫度產(chǎn)生的支座橫向力與溫度升高成正比關(guān)系，即在同一圓曲線半徑下，隨著溫度的升高，支座受到的橫向水平力越大。

圖7 0號(hào)墩1號(hào)支座橫向力和橋梁圓曲線半徑的關(guān)系

圖8 1號(hào)墩1號(hào)支座橫向力和橋梁圓曲線半徑的關(guān)系

由表1、表2和圖7、圖8可以看出，溫度產(chǎn)生的支座橫向力與橋梁的圓曲線半徑成反比關(guān)系，即在同一溫度荷載下，隨著橋梁圓曲線半徑的增大，支座受到的橫向水平力減小。

表3 50 m半徑支座約束方向受到的溫度作用力 kN

表4 60 m半徑支座約束方向受到的溫度作用力 kN

表5 70 m半徑支座約束方向受到的溫度作用力 kN

圖9 50 m半徑各支座橫向力

由表3～表5和圖9～圖11可以看出，離固定支座越近的支座，受到的橫向力越大。

圖10 60 m半徑各支座橫向力

圖11 70 m半徑各支座橫向力

4 結(jié)論

由計(jì)算分析可知，支座受到的橫向力的大小對(duì)溫度和橋梁圓曲線半徑十分敏感。通過比較分析，可以得出如下結(jié)論：

a）溫度產(chǎn)生的支座橫向力的大小與溫度高低成正比關(guān)系。

b）溫度產(chǎn)生的支座橫向力的大小與橋梁的圓曲線半徑的大小成反比關(guān)系。

c）在同一溫度荷載下，同一圓曲線半徑條件下，離固定支座越近的支座，受到的橫向力越大。

d）在今后的設(shè)計(jì)和施工中，小半徑彎橋的支座設(shè)置方式需引起極高重視，否則將直接影響到橋梁的使用安全。

e）本文僅研究在橋梁中間布置固定支座，兩邊對(duì)稱布置滑動(dòng)支座情況下，支座橫向力和溫度及圓曲線半徑的關(guān)系，而未研究不對(duì)稱布置滑動(dòng)支座的情況，需在以后的工作中繼續(xù)深入。