辛 法

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

0 引言

曲線梁橋由于豎向撓曲變形與扭轉(zhuǎn)變形的耦合作用，曲線梁在承受豎向彎曲的同時(shí)，由于曲率的影響也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，而這種扭轉(zhuǎn)變形又將導(dǎo)致?lián)锨冃危@種彎曲與扭轉(zhuǎn)的相互作用稱為“彎扭耦合”。由于內(nèi)外側(cè)梁長(zhǎng)不相等，在恒載作用下梁端外側(cè)支座反力大于內(nèi)側(cè)支座反力，當(dāng)活載偏置時(shí)，內(nèi)側(cè)支座可能出現(xiàn)負(fù)反力，這種現(xiàn)象稱為“支座脫空”；同時(shí)，內(nèi)外側(cè)支座反力差對(duì)箱梁剪力中心產(chǎn)生扭矩，在一聯(lián)橋聯(lián)端扭矩最大。

曲線梁橋支承方式直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，橋梁設(shè)計(jì)一般按以下原則處理：

a）對(duì)于較寬的橋（橋?qū)払≥9 m）和曲線半徑較大（一般R＞100 m）的曲線梁橋，主梁扭轉(zhuǎn)作用較小，而橫向穩(wěn)定問題非常突出。近幾年出現(xiàn)多起獨(dú)柱墩橋梁外移、傾覆事故，大部分屬于這種情況，有些地區(qū)還針對(duì)性地研究了獨(dú)柱墩改造為橫向多支點(diǎn)支承的加固方案。這種情況中墩宜采用具有抗扭能力較強(qiáng)的橫向多支點(diǎn)支承方式，對(duì)于墩高較高的橋梁可采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式。

b）對(duì)于較窄的橋（橋?qū)払＜9 m）和曲線半徑較?。ㄒ话慵sR≤100 m）的曲線梁橋，主梁扭轉(zhuǎn)變形較大，扭轉(zhuǎn)變形隨平曲線半徑減小而增大，平曲線半徑越小其扭轉(zhuǎn)變形增大幅度越大。但其橫向穩(wěn)定性較好，因?yàn)槠浞D(zhuǎn)軸兩側(cè)的橋梁面積比大，兩邊跨的大部分橋面都處于抵抗傾覆一側(cè)。根據(jù)其受力特點(diǎn)中墩可采用獨(dú)柱墩，但在選用支承結(jié)構(gòu)形式時(shí)應(yīng)根據(jù)墩柱高度、剛度的不同而確定?？雇苿偠容^小、墩柱高度較高的橋墩可采用墩梁固結(jié)的支承形式；相反，抗推剛度較大、墩柱高度較小的橋墩應(yīng)采用單點(diǎn)支承形式，并反復(fù)試算支座偏心矩對(duì)主梁受力的影響，選用合適的偏置距離。

眾多專家學(xué)者對(duì)獨(dú)柱墩梁橋傾覆理論、傾覆破壞模式等進(jìn)行了大量研究工作，但是對(duì)較窄的獨(dú)柱墩曲線梁橋支座分布與橋梁受力性能關(guān)系的研究較少。筆者認(rèn)為如果對(duì)曲線梁橋的受力特性認(rèn)識(shí)清楚，針對(duì)措施設(shè)計(jì)適當(dāng)，對(duì)于一些寬度較窄且用來跨越道路、管線等障礙的橋梁，仍可采用獨(dú)柱墩曲線梁橋，其總體布置靈活、結(jié)構(gòu)輕盈，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

在通過支座布設(shè)優(yōu)化曲線梁橋結(jié)構(gòu)整體受力的同時(shí)，應(yīng)注意支座橫向約束方向的控制，合理地約束橋梁的徑向位移，控制曲線梁橋的平面爬移[1]，本文不重點(diǎn)討論。

基于以上認(rèn)識(shí)和事實(shí)，本文依托長(zhǎng)治至臨汾高速公路項(xiàng)目的一處實(shí)體工程對(duì)獨(dú)柱墩曲線梁橋在各種工況下進(jìn)行了受力分析，總結(jié)提出了獨(dú)柱墩曲線梁橋總體布置設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)于支座布設(shè)的一些建議和注意事項(xiàng)。

1 工程實(shí)例分析

1.1 總體布置與構(gòu)造

長(zhǎng)治至臨汾高速公路良馬互通LK0+230匝道橋位于超限檢測(cè)站之后的勸返車道上，為跨越泗道河而設(shè)，平面分別位于緩和曲線（起始號(hào)：LK0+154.0，終止樁號(hào)：LK0+169.295，參數(shù) A：41.83，右偏）、圓曲線（起始樁號(hào)：LK0+169.295，終止樁號(hào)：LK0+213.667，半徑：50 m，右偏）和緩和曲線（起始樁號(hào)：LK0+213.667，終止樁號(hào)：LK0+236.000，參數(shù)A：41.83，右偏）見圖1。縱斷面位于R=1948.3 m的豎曲線上；墩臺(tái)等角度布置。橋位處由上至下地層依次為 1～3.5 m 粉土層、2.5～3.5 m 卵石層、3～5 m 中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、5～8 m微風(fēng)化細(xì)砂巖、3～12 m微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。

圖1 平面布置圖

上部結(jié)構(gòu)形式采用3×25 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，單箱單室截面?？缰袛嗝鎴D見圖2，梁端支點(diǎn)截面見圖3。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式臺(tái)、獨(dú)柱墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)設(shè)2個(gè)GPZ（Ⅱ）2DX支座（約束徑向位移）；1號(hào)墩頂設(shè)1個(gè)GPZ（Ⅱ）4GD支座；2號(hào)墩頂設(shè)1個(gè)GPZ（Ⅱ）4DX支座（約束徑向位移）。

荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)；橋面凈寬：1×凈4 m；地震動(dòng)峰值加速度：0.05 g；設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100。

圖2 跨中斷面圖

圖3 梁端支點(diǎn)斷面圖

1.2 穩(wěn)定與支承反力分析

影響曲線梁橋橫向穩(wěn)定性的因素主要有幾個(gè)：平曲線半徑、中支點(diǎn)支座預(yù)偏心距離、聯(lián)端端支點(diǎn)支座間距和橋面寬度等。本文重點(diǎn)探討支座間距、支座預(yù)偏心對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，利用通用有限元程序ANSYS進(jìn)行分析，分別按端橫梁加寬拉大邊支點(diǎn)間距（方案1）、中支點(diǎn)向曲線外側(cè)預(yù)偏（方案2）、端橫梁加寬拉大邊支點(diǎn)間距+中支點(diǎn)向曲線外側(cè)預(yù)偏（方案3）按以下工況進(jìn)行分析：

自重+活載+溫度荷載（整體升降溫）。

1.2.1 方案1拉大邊支點(diǎn)橫向間距

梁峰[2]總結(jié)出不同曲率半徑獨(dú)柱墩曲線梁橋翻轉(zhuǎn)軸為兩橋臺(tái)一側(cè)支座連線或中間兩橋墩支座連線的兩者中靠外側(cè)者；姜愛國(guó)等[3]研究了某一座曲線梁橋，在不同工況下的橫向穩(wěn)定性，最后提出曲線梁橋的傾覆軸線為橋臺(tái)外側(cè)支座與曲線梁橋其他支座的連線。曲線梁橋聯(lián)端邊支點(diǎn)支座橫向距離越大，結(jié)構(gòu)的傾覆軸線越向曲線外側(cè)移動(dòng)，表現(xiàn)為橋梁抵抗傾覆的橋面面積增大，使橋梁的穩(wěn)定力矩增加，傾覆力矩減小。

將支座間距從W=2.0 m增加到W=4.0 m，通過有限元程序分析結(jié)果表明：外側(cè)支座Z1支反力約減小30.5%，內(nèi)側(cè)支座Z2約增加225%。拉大邊支點(diǎn)間距，即增加內(nèi)扭矩力臂，支座反力重分布后內(nèi)外側(cè)支座反力更趨于合理，各支座反力列于表1、圖4。

表1 拉大端支承間距對(duì)各支座反力的影響 kN

圖4 端點(diǎn)支反力與支座間距關(guān)系圖

1.2.2 方案2 沿曲線徑向外側(cè)預(yù)偏中支座

中支點(diǎn)沿曲線徑向外側(cè)預(yù)偏使翻轉(zhuǎn)軸向外側(cè)平移，翻轉(zhuǎn)軸外側(cè)傾覆作用的橋面面積減小，抗傾覆作用的橋面面積增大，很明顯增加了橋梁的抗傾覆能力。

圖5 橋梁簡(jiǎn)化模型圖

圖6 外荷載作用的結(jié)構(gòu)扭矩圖

建立任一曲線梁橋模型，聯(lián)端邊支點(diǎn)采用橫向雙支座，橋墩中支點(diǎn)采用單支座（見圖5），其最大扭矩MT外出現(xiàn)在兩側(cè)梁端區(qū)（見圖6），如將中間支座向曲線外側(cè)偏置一個(gè)偏心距δ，橋墩支座豎向支承反力Fy對(duì)梁的剪力中心會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與MT外符號(hào)相反的內(nèi)扭矩 MT內(nèi)（見圖 7），MT外與 MT內(nèi)相互疊加，使梁端截面的扭矩部分抵消而減小梁端總扭矩（見圖8）。選取合適的中支點(diǎn)支座偏心距，可使每跨內(nèi)最大正扭矩與最大負(fù)扭矩兩者的絕對(duì)值近似相等，這就達(dá)到了調(diào)整梁內(nèi)扭矩分布的目的。同時(shí)，通過調(diào)整中支點(diǎn)預(yù)偏值也可調(diào)整邊支點(diǎn)內(nèi)、外側(cè)支座支反力。

圖7 橋墩支座偏置的結(jié)構(gòu)扭矩圖

圖8 結(jié)構(gòu)的疊加扭矩圖

根據(jù)邵容光、夏淦[4]混凝土彎梁橋，不同的中間支承類型和預(yù)偏值對(duì)曲梁的彎矩和剪力沒有太大的影響，但是對(duì)扭矩和支座反力的影響卻很大，本文僅對(duì)支反力和扭矩結(jié)果進(jìn)行提煉分析。

通過有限元程序分析結(jié)果表明隨著橋墩中支座向曲線外側(cè)徑向預(yù)偏，對(duì)橋的端部總支反力影響不大，但明顯改善了端部?jī)?nèi)、外側(cè)支反力的分配。支座徑向偏移從e=0 m增加到e=0.35 m，端部外側(cè)支座Z1支反力減小8%，內(nèi)側(cè)支座Z2約增加32.5%，內(nèi)外側(cè)支座反力更趨于合理，端部支座的反扭矩減小7%，基本呈線形減小趨勢(shì)，見表2、圖9、圖10。

表2 中支點(diǎn)預(yù)偏對(duì)各支座反力及扭矩的影響

圖9 梁端支反力與中支點(diǎn)預(yù)偏關(guān)系圖

圖10 梁端扭矩與中支點(diǎn)預(yù)偏關(guān)系圖

1.2.3 方案3

根據(jù)以上分析結(jié)論本橋端橫梁加寬至全橋?qū)?，橋臺(tái)支座間距取為3.5 m，中支點(diǎn)向曲線徑向外側(cè)預(yù)偏25 cm，各反力列于表3。

表3 支點(diǎn)支座反力及扭矩

通過有限元程序分析結(jié)果表明：

a）方案3與方案1正常支座間距工況對(duì)比：端部外側(cè)支座Z1支反力約減小27.0%，內(nèi)側(cè)支座Z2支反力約增加185.2%。

b）方案3與方案2中支點(diǎn)支座不預(yù)偏工況對(duì)比：端部外側(cè)支座Z1支反力約減小5.1%，內(nèi)側(cè)支座Z2約增加23.4%，梁端扭矩約減小15.5%。

2 結(jié)語

曲線梁橋支承方式是影響曲線梁橋受力性能的主要因素之一，不同的支承方式改變主梁的內(nèi)力分布。通過本文分析提出以下建議。

a）工程設(shè)計(jì)時(shí)通過計(jì)算分析，取用合理的支座間距可避免橋梁端支點(diǎn)內(nèi)側(cè)支座脫空、內(nèi)側(cè)梁端上翹的情況出現(xiàn)。對(duì)于橋?qū)捿^窄的獨(dú)柱墩曲線梁橋應(yīng)采用端橫梁加寬盡可能拉大邊支點(diǎn)間距。

b）工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)經(jīng)過反復(fù)試算確定中支座合理的預(yù)偏值，此時(shí)端部?jī)?nèi)、外側(cè)支座反力趨于均衡，扭矩減小，墩臺(tái)及支座的設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)箱梁抗扭設(shè)計(jì)均簡(jiǎn)單化。