曲率半径对曲线梁桥支座受力性能的影响研究①

阿不来提.吐尼牙孜，包 杰，邬晓光

(1.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐830006;2.长安大学，陕西西安710064)

0 引 言

随着经济和社会的快速发展，快速干道工程在公路和城市道路建设中被广泛采用，曲线梁桥是高等级公路和城市快速道路中连接贯通的必要手段［1］.

而且在高等级公路建设中，由于路线设计的要求，或者限于地形、地物的影响，很多情况下都需要修建曲线形式的梁桥来满足交通要求.近年来研究曲线梁桥整体受力性能的比较多，但是具体研究支座受力的不多，本文以曲率半径为控制点，研究支座反力效应变化，从而得到曲率半径对曲线梁桥的影响规律.

曲线桥的受力比较复杂，最明显的受力特点就是，梁体截面在发生竖向弯曲时，由于弯桥的曲率半径，会使梁体产生扭转，扭转又会引起梁体挠曲变形，这被效应叫“弯扭耦合”效应［2］.如果桥梁结构一直在较大负荷下运营，再加上温度和预应力的影响，梁体就会出现“外梁超载，内梁卸载”的现象，日积月累，最终会导致支座脱空的现象，影响桥梁结构的安全运营［3］.

1 曲线梁桥计算理论

曲线梁桥的主要有以下几种计算理论与方法:第一，纯扭转理论:将结构视为曲线弹性杆件，横截面上不发生翘曲和畸变，横截面的剪切中心轴线与曲线梁形心轴线相重合;第二，有限元法:将结构划分为有限多个空间单元，可以得到各截面上的应力结果;第三，梁格法:用一个等效的梁格系来模拟，假定将各区段内的抗扭、弯曲刚度集中于相邻的等效梁格内，梁的纵向刚度集中在纵向梁格内，梁的横向刚度集中在横向梁格内，曲线梁桥较多采用这种分析方法［4～6］.

图1 桥梁立面图(单位:mm)

2 工程实例

2.1 工程概况

本文以新疆某城市一匝道桥为依托工程，对其支座进行受力分析.该匝道桥为钢筋混凝土板桥，材料选为C30 混凝土，桥梁跨度为:15.0+20.0+15.0 米，桥梁宽度为8.5 米，桥梁的弯曲半径为500.0 米.设计荷载为城－A 级车辆荷载，设计车道为2 车道，均布荷载10KN/m，集中荷载300KN.桥梁立面布置图如图1，横断面图如图2.

图2 横断面图(单位:mm)

2.2 支座布置形式

按照实际结构中的约束情况，添加边界条件.在梁端设置一个双向活动支座和一个单向活动支座，这样可以更好地传递水平力，中间墩选取一个布置固定支座，其它的布置单向支座或者双向支座.支座布置形式如图3.

图3 支座布置图

图4 曲线梁桥有限元模型

2.3 有限元建模

采用有限元软件MIDAS Civil 进行结构分析，全桥共有715 个节点，640 个单元，单元每隔1 米进行一次划分，单元采用的是板单元，模型的边界条件按照实际结构中的双向活动支座、单向活动支座、固定支座等约束类型进行约束.并建立了曲率半径为1000m和3000m 的桥型来进行对比分析，全桥模型如图4.

图5 中载支座反力示意图

图6 偏载支座反力示意图

图7 中载时端支座反力变化图

2.4 计算结果

考虑车辆在曲线梁外侧行驶和靠内侧行驶两种工况，对结构进行分析.移动荷载采用城市－A 级荷载规范，分析结果如图5 ～10 及表1 ～表3.图5 为曲率半径为500m，车辆中载情况下支座反力示意图，图6 为曲率半径为500m 时，车辆偏载情况下的支座反力示意图.

表1 至表3 列出了各种曲率半径的曲线桥在车辆中载和车辆偏载工况下的支座反力.

表1 曲率半径为500 米时曲线桥支座的反力值

图8 偏载时端支座反力变化图

图9 中载时中间支座反力变化图

表2 曲率半径为1000 米时曲线桥支座的反力值

表3 曲率半径为3000 米时曲线桥支座的反力值

A1 128.2 127.3 127.2 65.3 P1 102.4 214.1 206.7 49.6中载 P2 109.6 229.1 229.1 109.9 A2 66.3 134.3 134.3 66.3 A1 335.7 25.7 37.5 －31.4 P1 479.3 122.6 106.0 －59.9偏载 P2 482.5 131.6 109.2 －79.4 A2 335.9 25.7 37.7 －32.0

图5 至图7 是随曲率半径变化曲线桥支座的反力值比较.

图10 偏载时中间支座反力变化图

从图7 至图10 可以看出，曲率半径从500m 增大到3000m 后，端支座A1 反力由58.4KN 增大到128.2KN，增大了1.19 倍;端支座A2 的反力值由61.3KN增大到128.3KN，增大了1.09 倍.而随着曲率半径的增大，曲线桥的中间支座的反力值是逐步减小的，中间支座P1 反力值由204.8KN 减小到102.4KN，减小幅度为35.2%;P2 支座由273.6KN 减小到206.7KN，减小幅度为24.5%.曲线桥在车辆偏载的作用下，内侧支座都出现了负反力，最大值达到了－79.4KN，如果没有设置抗拉支座的话，就会造成支座脱空的病害，影响桥梁结构的安全运营.

3 结 论

(1)约束条件相同，当曲率半径增大时，内侧支座反力会随之增大，外侧支座反力随之减小.当曲率半径足够大时，如本工程实例中小跨径曲线桥的曲率半径达到3000 米时，受力情况和直桥相差不大，同墩处的内外侧支座反力几乎相等.

(2)随着曲线梁曲率半径的增大，梁端支座的反力有增大的趋势，实例中曲率半径由500m 增大到3000m 的过程中，反力也由58.4KN 增大到128.2KN，中间支座的反力随着曲率半径的增大会逐步减小.且曲率变化对梁端侧支座的影响效应比对中间支座的影响效应大，所以在支座选型过程中要相应考虑.

(3)由于受弯扭耦合效应影响，在荷载作用下梁端内外弧侧支座反力分配会很不均匀，如果在加上支座沉降、温度等荷载因素，会使得梁端内弧侧支座产生很大的负反力.且从计算结果可以看出，曲线梁桥的曲线半径越小，内外侧的支座反力差距越大，支座出现负反力的可能性越大.应在设计构造上采取相应措施给以保证，如考虑设置抗扭支座等.

(4)曲线梁桥如果长期处于偏载且超载的运营状态下，内侧支座由于受负反力会处于受拉状态，会导致支座脱空等病害，影响结构的受力形式的安全运营，所以要合理选择支座类型和调整支座布置方式.

［1］ 肖兵，方诗圣，肖龙.支承形式对曲线梁桥的受力影响分析［J］.湖南工程学院学报，2011.

［2］ 汤竞兴.预应力混凝土曲线箱梁桥支座布置效应研究［D］.西安:长安大学，2009

［3］ 张平.曲线梁桥常见病害分析与设计优化［D］.西安:长安大学，2013.

［4］ 李惠生，张罗溪.曲线桥梁结构分析［M］.北京:中国铁道出版社，1992.

［5］ 方诗圣，肖兵，张吉烁，章晓晖.支座布置形式对曲线梁桥力学性能的影响［J］.世界桥梁，2011.

［6］ 王钧利.曲线箱梁桥的病害分析及设计对策［J］.中外公路，2005.