小半径曲线梁桥支承方案设计优化

胡志稳

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙　410008)



小半径曲线梁桥支承方案设计优化

胡志稳

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙410008)

摘要：支承方式决定着曲线梁桥主梁的受力形式与抗倾覆稳定性。合理的支承布置形式不仅能使小半径匝道桥有着更好的受力稳定性，同时也能有效降低桥梁服役期间的病害发生几率，减少投资，增加效益。通过研究小半径曲线梁桥在不同的支承方案下的主梁内分布情况及全桥抗倾覆稳定性，提出曲线桥支承方案相应的工程辅助措施，为今后小半径曲线桥的支承方案选择与结构设计提供相应的参考。

关键词：小半径； 曲线梁桥； 支承设计； 内力分析； 抗倾覆稳定性； 支承方案

0前言

高速公路中的互通枢纽、城市互通立交中的小半径曲线线型，其桥跨构造物较多的采用多跨一联的连续箱梁作为其上部结构形式。然而曲线梁桥运营期间在荷载作用下主梁断面会产生较大的扭矩[1]，随着曲线半径的减少，单联所覆盖的扇形圆心角不断增大，由此引起主梁的“弯-扭耦合”效应更加突出。此外，偏载作用下直接增强了内侧支座脱空现象，情节严重者甚至会导致曲线梁桥的倾覆，此类事故在国内外屡见不鲜[2]。小半径曲线梁桥有着较为复杂的空间受力形式[3]。实际工程设计中，确定的曲线线位与桥跨形式下唯有选择合理的支承形式才能使得全桥在保证良好的受力性能的前提下具备有较高的抗倾覆稳定性。因而对不同支承条件下的主梁受力进行精确细致地计算和分析，于小半径曲线桥受力和抗倾覆性能的研究具有非常重要的现实意义。

早期曲线梁桥的结构计算理论经历了从解析法到数值法的发展。近年来多种空间有限元结构分析软件的不断推出，国内外学者得以对其受力特点和承载性能有了更加深入的研究。诸多研究工作大多集中在曲线梁桥的支座反力情况、抗扭性能的影响因素等[4]。亦有学者探究支承形式、支座的布置方式等下部结构的改变所带来的主梁受力稳定性的变化[5]。但是，现阶段诸多研究成果表明，通过曲线梁受力性能分析结果为依据进行主梁抗倾覆稳定性验算较为繁琐。而国内的公路桥梁设计规范中也没有为设计行业提供一个简洁、可靠、适合工程应用的抗倾覆验算方法。鉴于此，本文通过研究小半径曲线梁桥在不同的支承方案下的主梁内分布情况及全桥抗倾覆稳定性，提出曲线桥支承方案相应的工程辅助措施，为今后小半径曲线桥的支承方案选择与结构设计提供参考。

1曲线梁桥的支承布置形式及曲线梁桥的受力特点

对于曲线梁桥，下部结构支承的布置方式直接影响着主梁倾覆轴的相对位置，从而影响主梁的抗倾覆性能。对于曲线梁桥，实际工程中的全联支承布置形式可归纳为以下主要的4种(以小半径圆曲线上4跨一联等跨径布置的连续梁桥为例，联端支承布置形式均为抗扭型支承)：

1) 全联设置为独柱墩支承(图1a中所示)；

2) 全联设置为独柱墩偏心支承(图1b中所示)；

3) 混合型支承布置方式(图1c中所示)；

4) 全联设置为抗扭型支承(图d中所示)。

其中前2种在对经济、城市景观等有较高要求的工程项目使用较多，第3种则在下穿道路设有中央绿化带的工程项目中有较多的运用，对经济美观要求较小的工程则主要采用第4种。

图1　下部结构支承布置方式

在曲线梁桥受荷载作用，由于弯-扭耦合作用，主梁轴线会受到因曲率中心偏离主梁中心线的弯矩和扭矩带来的双重影响。在此，通过选取曲线梁段微元ds，已知曲梁单位长度上的扭矩mt、竖向均布荷载为q，取A至B弧长方向为正方向(如图2中所示)，建立微段的平衡方程，方程如下：

2018年10月2日凌晨5时30分许，范某某在他提前部下的网具上收鸟时，被蹲守在山上的民警当场抓获，其违法猎捕国家二级保护动物3只（2只存活，已放生），省重点保护动物5只。

图2　微段平衡示意图

(1)

(2)

(3)

式中，不难发现在均布荷载作用下主梁跨中会在梁端产生较大的弯矩和扭矩，而在实际桥梁结构中，梁顶面均布荷载可以视作由自身恒载、桥面铺装及车辆均布荷载等多种荷载组合作用后的效应值。因而，随着均布荷载集度越来越大，主梁受弯-扭耦合作用带来的影响逐渐增大，对全桥的承载稳定性带来的不利影响也趋于明显。

由此，归纳出设置抗扭型支承方式和设置独柱墩支承的多种支承方式下的主梁宏观受力特征，多跨曲线梁桥受力具有以下特点：

1) 对于独柱墩的下部布置方式，由于单支座不能向大地传递扭矩，墩顶梁截面扭矩会顺延梁轴线传递至联端支座上。

2) 对于独柱墩偏心布置方式，通过主梁自身重力与支承轴线的偏心距辅助主梁的抗扭性能。然而，倾覆轴内侧自重变大，不平衡的自重偏心弯矩对端联内侧支座带来了拉力效应。而此类支承方式在实际工程中能带来的控制效应有限，偏心设置也过于保守。

3) 对于混合布置和全抗扭支承的布置方式，由于中间抗扭支承可以承担一部分扭矩，从而减轻联端支座的受力。

2曲线梁桥的梁格法计算

2.1工程实际模型

分析模型选取某高速公路互通匝道桥，上部结构为4×20 m钢筋混凝土现浇箱梁，全联位于半径为60 m圆曲线的平面线形上，设计时速为40 km/h；设计荷载等级为公路Ⅰ级；桥面净宽9 m；每跨跨中设中横隔板，宽度0.3 m；联端支座横向间距为5 m，支座均采用盆式橡胶支座；桥型平面示意图如图3中所示，主梁标准横断面如图4中所示。

图3　桥型平面布置(单位： cm)

图4　箱梁标准横断面尺寸图(单位： cm)

通过Midas-Civil桥梁结构计算软件建立该联主梁空间梁格计算模型，于图5中示出。主梁计入最不利移动荷载工况为沿最外侧加两车道偏载，同时计入整体升温(整体降温)、温度梯度等标准工况，并对多种工况按照规范中承载能力极限进行荷载组合，分析在4种不同的支承条件下结构支座反力值、结构内力分布情况。

图5　主梁梁格计算模型

2.2不同支承下支座反力值

根据主梁在不同支承边界组下的荷载分布与支座反力值，统计得出各支承下的主梁支座竖向反力值，并汇总于表1中。根据计算结果，在曲线梁的“弯-扭耦合”作用效应下，内外侧支座反力吨位大小不一，严重的时候内侧支座甚至会出现负反力的可能，形成实际工程中曲线梁桥的支座脱空病害。同时，计算发现曲线梁外侧支座的竖向支反力是内侧的2～5倍。不同的支承设置下，主梁内外侧支座反力的差值随主梁设置抗扭支承的减少而增大。曲线梁桥的横桥向支反力的不均的受力现象，是导致梁体发生倾覆的主要原因。

表1 支座竖向反力汇总kN类别抗扭型支承独柱墩支承独柱墩偏心支承混合型支承内侧外侧内侧外侧内侧外侧内侧外侧0号台878.81814.6441.82293.3569.22413.8749.42086.21号墩1866.23359 5056.34873.34791.62号墩1956.22900.24566.54479.81518.43648.33号墩1865.33327 4899.15115.64694.84号台915.11724.7479.92351.3564.92502.8757 1985.9

2.3不同支承下结构内力计算

对于比较不同支承条件下主梁内力分布，比较不同截面位置的主梁弯矩值，如表2中所示。分析发现：抗扭支承跨中正弯矩较独柱墩大，墩顶处的负弯矩则同比较小，混合型支承下的主梁弯矩值位于两者中间。其原因在于移动荷载的偏载效应以及温度变化等荷载作用下会引起超静定结构次生附加内力的产生，抗扭支承的边界条件增加了结构的超静定次数，使得主梁内力进一步增大。此外，梁格模型计算得到曲线梁内外侧腹板受力不均，验证了在自重作用下曲线梁外侧腹板呈加载趋势，内侧腹板呈卸载的受力模式。

表2 不同支承条件下主梁各截面弯矩值汇总(kN·m)类别第1跨第2跨第3跨跨中墩顶跨中墩顶跨中墩顶第4跨跨中抗扭型支承8549-29297331-17387592-30019071独柱墩支承8412-38366720-16275779-40448982独柱墩偏心支承9056-36626953-15536316-37659151混合型支承8676-29667127-17387202-29648842

3曲线梁桥的抗倾覆稳定性

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(征求意见稿)中对整体式断面的中小跨径梁桥上部结构的抗倾覆稳定性建议采用如式(4)进行验算。

(4)

式中：γqf为上部结构主梁的抗倾覆稳定性系数；Ssk为极限荷载下上部结构发生倾覆的汽车荷载(含冲击作用)效应的标准值；Sbk为上部结构稳定承载的作用效应标准组合值。

对于曲线桥的倾覆，是在车辆荷载的倾覆弯矩作用下，一侧受压支座依次脱空，边界失效而失去平衡倾覆的过程。规范中则提出曲线梁桥的抗倾覆能力提出选用式(5)进行验算。

(5)

式中：RGixi为成桥状态下的主梁的各个支座的支反力值；xi为各个支座到倾覆轴线的垂直距离；μ为冲击系数； qk、Pk分别为移动荷载的均布荷载值

与集中荷载值；Ω为主梁倾覆轴线与横桥向加载车道间所围成的面积；e为横向加载车道到倾覆轴线垂直距离的最大值。

通过比较4种支承条件下主梁的抗倾覆稳定系数发现，当全联采用抗扭型支承时上部结构的抗倾覆稳定系数最大，结构最安全，独柱墩支承方式主梁抗倾覆稳定系数最小，安全储备最低，独柱墩偏心支承方式的抗倾覆系数小于混合型支承方式，且两者的稳定性储备值位于其他两者之间。

4结论

文中通过对实际工程中4种小半径曲线梁桥下部结构支承方式进行主梁内力与抗倾覆性能的比较，借助有限元梁格法模型进行分析并得出如下结论：

1) 工程中小半径曲线梁桥的支承方式尽可能地采用抗扭型支承方式，以免发生曲线梁内侧卸载，外侧加载的现象。在联端相应设置抗拔支座、高墩设置墩梁固结等措施，有效防止支座脱空和梁体倾覆，如果受条件限制也可以选择独柱墩与抗扭型支承交叉布置的形式。增加中间支承的数量能明显增大上部结构主梁的抗倾覆稳定性。

2) 小曲线半径梁桥内外侧支座的竖向反力值相差较大，设计时应分别对内外侧支座进行设计选型。以免造成外侧支座的承载力不足而导致支座失效或者内侧支座吨位过大造成工程的不经济。

3) 对于支座布置，有条件时尽可能增大支座间间距，对于小半径曲线梁窄桥，可适当增大端部截面底板宽度来提高其抗倾覆稳定系数。施工期间支座埋设时，需与设计方严格核对支座约束的方向和活动方向，保证主梁的合理变形。

4) 小半径曲线梁桥主梁施工期间应特别引起注意主梁顶面的不平衡堆载问题，施工材料或施工机械等宜均匀放置。护栏等的施工顺序，应先浇筑内侧护栏，后浇筑外侧护栏，以免由于施工偏载导致梁体发生倾覆。

参考文献：

[1] 胡志伟，黄奶清.支座预偏心对小半径曲线梁桥的扭转效应影响[J].安徽建筑，2011(6)：140-143.

[2] 肖庆峰.曲线连续刚构桥悬臂施工阶段的仿真分析及弯曲效应研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[3] 李茂奇.小半径曲线梁桥受力性能分析[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.

[4] 袁波.曲线梁桥的受力性能分析与支承优化设计[D].郑州：郑州大学，2011.

[5] 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.

[6] 王文龙，吴海军，董壮壮.支座布置形式对曲线梁桥抗倾覆能力的影响[J].中外公路，2015(5)：197-200.

[7] 王文龙.混凝土箱梁桥抗倾覆性能与增强措施研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[8] 方飞.小半径预应力混凝土曲线梁桥侧向效应研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[9] JTG D62，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(征求意见稿)[S].

文章编号：1008-844X(2016)02-0174-03

收稿日期:2016-05-25

作者简介:胡志稳( 1979-) ，男，工程师，主要从事公路桥梁的设计工作。

中图分类号：U 442.5+4

文献标识码：A