基于相似原理的弯梁桥内外侧支反力差异性模型试验研究

张景春

（廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

随着我国高速公路网及城市快速路的建设，大量的弯梁桥需要修建。箱梁由于具有整体性强、抗扭刚度大等良好的力学特性以及可以通过现浇施工方法灵活实现曲线线型等优点，在弯梁桥中被大量采用。与直梁桥相比，曲线连续梁桥受竖向荷载时具有明显的空间结构力学特点[1，2]，受力颇为复杂。在恒活载和预应力筋作用下，结构不但产生纵向弯曲、扭转、横向弯曲及翘曲，而且同一桥墩上曲线内外侧的两个支反力也有明显的差别，曲率半径越小，内外梁的支点反力相差越大，若设置不当活载偏置时，内梁甚至可能产生负反力，即出现“支座脱空”现象，这是相当严重的工程病害，甚至会造成工程事故，对此设计人员应格外关注。鉴于此，本文以白云山立交桥工程某匝道中一联三跨预应力混凝土弯梁桥为例，通过模型试验，对几种不利活载工况进行支座反力分析，以检验理论分析结果，并确保结构的安全。

2 模型试验及结果分析

2.1 工程概况与模型简介

白云山公路立交桥是中心城区快速路工程的重要组成部分。本文选取A线匝道桥的一联作为本次实验的研究对象，该联跨径布置为33m+42m+33.6m=108.6m，梁高2.2m，梁中心曲线半径98m，桥宽8m。根据相似理论，综合考虑加工条件、测试设备、实验室条件等多种因素后，最终选取1∶20的几何缩尺设计制作了有机玻璃模型，有机玻璃模型全桥整体结构图如图1所示。据此，重点对支座反力进行测试和分析。

图1 模型整体结构图

2.2 试验工况的选取

在进行有机玻璃模型试验之前，为确定活载的加载位置和加载范围，以为活载试验提供理论依据，本文针对预应力弯梁桥由于弯扭耦合效应使其内外侧腹板的应力和变形存在差异的特点，基于梁格法建立了全桥有限元模型（见图2）。

图2 有限元模型

利用有限元模型获得了边跨边支点（D10墩）和边跨中支点（D11墩）的反力影响线（如图3、图4所示）。

图3 D10墩支反力影响线

图4 D11墩支反力影响线

对D10和D11号墩支反力而言，根据计算影响线可以很容易确定其加载的位置和加载范围，这里针对D10和D11号墩支反力分别选取了三种和两种加载工况，各工况具体的加载方式如表1所示。在模型试验中，活载的加载均以均布荷载+集中荷载的方式模拟，均布荷载采用1mm不锈钢板来分层施加，集中载荷采用钢块施加（见图5）。加载时注意轻拿轻放，尽量避免冲击以影响到实验测试结果。

表1 模型试验加载工况

图5 加载试验

2.3 试验结果分析

按照上面试验工况进行加载实验，D10墩和D11墩测试工况各墩内外侧支反力结果见表2和表3。

表2 D10墩测试工况各墩支反力结果

表3 D11墩测试工况各墩支反力结果

从上表可以看出，工况1条件下，即对D10墩所在边跨外弧施加均布荷载的同时在边跨跨中施加集中荷载，对邻近的D10、D11、D12墩处支座反力影响较大，且均呈现明显的外弧侧增大和内弧侧减小的趋势，其中D11墩、D12墩处支座反力内弧侧减小的较大。但对较远的D13墩而言，其内外弧的支反力均呈微小的增大趋势，这与前几个墩反力变化情况不同。随着荷载的增加，即工况2和工况3条件下支反力亦呈上述相同的变化规律。从校验系数可见，理论和实测结果吻合较好，说明理论计算模型基本反应了结构的真实特性。

从表3可见，当在D10－D12墩均布偏载并在D11墩处施加集中荷载时，对D10、D11、D12墩处支座反力影响明显，均呈现外弧侧增大和内弧侧减小的趋势，其中集中荷载所在的D11墩处外侧支反力增量最大。工况3与工况2相比，随着荷载的增加，D10－D12外弧支反力增加幅度显著，而内弧支反力减小的幅度渐缓；对D13墩处内弧支座反力而言，荷载的增加使其增量由正变负，即呈减小的趋势。

3 结论

3.1 预应力弯梁桥在活载作用下具有明显的内外侧支反力不均匀的特点，伴随着扭转效应，内外侧反力差值随着载荷的增加逐步加剧，外弧侧支座反力不断增大，内弧侧支座反力不断减小，在不利荷载作用下易于产生内侧支座脱空、外侧支座局部受力过大的情况，进而危及桥梁安全的工程隐患，对此设计人员要高度重视。

3.2 对预应力弯梁桥具有的较强的弯扭耦合效应和内外侧支反力不均匀的特性，应注意梁端的扭转变形。变形过大，在两联之间的伸缩缝易产生相对错动，加剧跳车现象，并导致伸缩缝过早破坏。

3.3 曲率半径较小的预应力弯梁桥，在活载下会受到径向离心力的作用，加之梁体内的较大扭矩产生的向外倾覆趋势，如果不能很好地控制长期荷载下的变形积累，会使得支座偏离原有的支撑位置，造成支座脱空和梁体内扭矩增加，从而导致桥梁的破坏。为此，建议在弯梁桥中除了注意合理布置抗扭支座外，还应采取一定的侧向限位措施限制梁体的侧移，避免运营过程中梁体出现“爬移”。

[1]戴公连，李德建.桥梁结构空间分析设计方法与运用[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]孙广华.曲线梁桥计算[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]张杏萍，吴红瑾，王利红.预应力连续梁桥在公路立交桥中的应用[J].世界桥梁，2003，（1）：27-29.

[4]何维利.独柱支承的曲线梁桥设计[J].北京建筑工程学院学报，2001，（S1）：23-28.

[5]彭大文，林希鹤.预应力连续弯箱梁的支座反力研究[J].福州大学学报，1998，（6）：63-68.