大曲率连续刚构人行天桥受力分析

戚泽远

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司,上海 200092）

1 前言

近几年来，随着国家经济建设的发展，各地的城市化运动也是如火如荼。城市里房屋密集，路线复杂，交叉口众多，交通运输能力是一个城市能否正常运行的关键,由于受周围环境的限制，同时也需要考虑到景观的要求，立体交通是一个常见的、合理的方案。在城市中的立交桥工程中，由于结构比较密集，路线繁多，且各种公共设施和管道密布，因而在设计立交桥时，其桥墩几乎都是预先指定位置甚至是指定尺寸，线形的曲折几乎不可避免，此时就需要建造曲线型桥梁。曲线桥梁中，桥跨的重心并不在两墩连线的中点上，即使在自重作用下，桥跨也会产生扭矩，无论在恒载或活载作用下，弯曲和扭转总是耦合的，这导致曲线桥的内力和变形计算趋于复杂化，故曲线桥一般采用具有良好抗扭性能的箱形断面。然而，曲线桥钢箱梁的各个腹板内力分配比直线桥更加复杂，给设计造成一定的难题。本文以上海某一大曲率钢箱梁连续刚构人行天桥为背景，分析天桥受力的分配情况，为工程设计提供数据依据。

2 曲线梁受力分析

2.1 工程概况

本桥跨径组合为（2.9+31.839+36+24+36.167+0.6）=131.506m。主桥中心线为平面S形曲线：5.692m直线+29.322m圆弧（R=21m）+43.73m直线+29.322m圆弧（R=21m）+23.441m直线。考虑到曲线桥易出现支座负反力，此桥采用P1～P4墩墩顶与梁底固结的连续刚构形式，P5墩处设压重抵消负反力（本文意在分析结构的受力分配问题，故计算模型中暂不计入压重，可能P5墩会出现负反力，但不影响结论），其中P1、P3、P5墩位于直线段，P2、P4墩位于曲线段。主梁采用等高度钢箱梁，梁高1.4m，箱梁全宽9.34m。

由于空间限制，桥梁的P1～P4墩的尺寸最大只能做成1.4m（横桥向）×1.0m（纵桥向），立柱的横桥向宽度1.4m仅两道中腹板的间距相等，所以墩顶桥梁腹板的受力分配情况是设计的关键所在。

2.2 板单元模型

本桥采用Midas Civil按照实际跨径分别建立曲线桥和直线桥两个板单元模型，分析相同条件下曲线桥和直线桥腹板间内力分配的不同。模型共有节点7410个，单元9120个，墩墩柱与基础之间是弹性支撑，各个方向的刚度采用按“m”法计算的桩基实际刚度。桥梁共四跨，P1～P4为墩梁固结，P5墩为双支座支撑。腹板共四道，两道边腹板，两道中腹板，腹板编号按方向为1～4号。

2.3 支撑反力分析

恒载分布比较均匀，从恒载在各个墩位的分配可以清晰地看出结构的内力分配情况。取计算模型的恒载（自重+二期）作用下支撑反力分析，见表1：

表1 各墩位处支撑反力计算结果

表1列出了相同跨径的曲线桥和直线桥支撑反力的计算结果。由于P1～P4墩处是墩梁固结，P1～P4墩给出的是墩底反力，P5墩给出的是支座反力。对比结果可得以下结论：

（1）相同跨径下，曲线桥和直线桥的竖向反力分布基本一致，说明桥梁的曲率对结构竖向力力的分配影响很小。

（2）曲线桥在横桥向存在横向反力，横向反力沿曲梁的弯曲径向方向，但是数据均不大，基本在该处竖向力的5%以内，对设计影响不大。直线桥墩底无横向反力。

2.4 箱梁腹板剪力分配分析

分析箱梁腹板剪力分配的目的是更好的分析墩梁固结处的受力情况，由于固结处存在应力集中效应，取P2～P4墩距墩顶2m处作为分析点，分析恒载（自重+二期）作用下箱梁腹板的剪力分配情况。

2.4.1 直线桥腹板剪力分配

直线桥腹板剪力的计算结果见表2与表3.

表2 直线桥P2～P4墩腹板剪力计算结果（单位：kN）

表3 直线桥P2～P4墩腹板剪力分配表

由表2、表3可见直线桥的腹板剪力分配比较规律，由于立柱宽度仅与两道中腹板的距离相等，所以剪力主要集中在中腹板，中腹板共分配剪力约67%～69%，边腹板分配剪力约31%～33%。每道中腹板所分配的剪力基本为每道边腹板的两倍，而且分配的比例几乎不会随着墩位的不同而变化。

2.4.2 曲线桥腹板剪力分配

曲线桥腹板剪力的计算结果见表4与表5.

表4 曲线桥P2～P4墩腹板剪力计算结果（单位：kN）

表5 曲线桥P2～P4墩腹板剪力分配表

表5显示曲线桥每个墩位处每道中腹板所分配的剪力基本为每道边腹板的两倍，这个比例基本与直线桥一致。但是，P2、P4墩处两道中腹板分配的剪力明显不同，弯曲内侧的中腹板基本比弯曲外侧的中腹板大15%～20%。P3墩处于直线段，所以腹板分配比例与直线桥基本一致。

可知，在曲线桥的直线段的墩位，腹板剪力分配情况与直线桥基本一致；在曲线段的墩位，弯曲内侧的中腹板基本比弯曲外侧的中腹板大15%～20%。

3 结论

本文以上海某大曲率钢箱梁连续刚构人行天桥为背景，通过建模计算，分析了曲线桥、直线桥受力分配的情况，主要得到了以下结论：

（1）相同跨径下，曲线桥和直线桥的竖向反力分布基本一致；曲线桥在横桥向存在横向反力，横向反力沿曲梁的弯曲径向方向，但是数据不大，对设计影响不大。

（2）直线桥的腹板剪力分配比较规律，剪力主要集中在中腹板，每道中腹板所分配的剪力基本为每道边腹板的两倍，而且分配的比例几乎不会随着墩位的不同而变化。

（3）曲线桥每个墩位处每道中腹板所分配的剪力基本为每道边腹板的两倍，此比例基本与直线桥一致。但是，两道中腹板分配的剪力有所不同，弯曲内侧的中腹板基本比弯曲外侧的中腹板大15%～20%。

可以看出，与直线桥相比，曲线桥在内力分配上与直线桥差距并不大（支座反力分配基本一致，竖向反力弯曲内侧中腹板仅比弯曲外侧的中腹板大15%～20%），设计时仅是考虑桥梁上部结构的整体性以解决弯桥的弯扭耦合问题，另外考虑墩梁固结处的局部受力问题即可。

[1]CJJ 69-1995. 城市人行天桥与人行地道技术规范[S].1996.

[2]GB50017-2003. 钢结构设计规范[S].2003.

[3]CJJ 11-2011. 城市桥梁设计规范[S].2011.

[4]GB/T 714-2008. 桥梁用结构钢[S].2008.