结构支承布置对曲线梁桥效应影响研究

关 伟，李群锋

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着山西省交通事业的快速发展，为了使桥梁设计满足路线平面线形、桥址地形及避开地下管线设施的需要，曲线梁桥在互通区及城市高架桥中不断涌现，曲线梁桥的不断涌现是桥梁发展的必然结果。曲线梁桥由于结构自身存在着与直线桥本质的区别（弯扭耦合），曲梁结构在弯扭耦合作用下，结构变形比直梁结构复杂，因而其结构支承布置也较直梁桥复杂。若曲线梁桥的支承布置不当，梁端支座脱空，车辆荷载的偏心引起主梁的扭矩及其变形的增加，严重的甚至会引起主梁梁体的侧翻等曲线梁桥的病害产生，所以研究掌握曲线梁桥的支承布置对主梁效应的影响就显得十分有必要了。

1 曲线梁桥分析方法与有限元模型

曲线梁桥常用的分析方法有：解析法和数值法。解析法类似于用于直线桥的分析方法，概念清楚、计算简单，但是若将其用来分析变截面、变半径的曲线梁桥则有较大的困难。数值法能较精确地模拟结构的受力状态，运行速度快，有较广的适用范围。数值法包括有限元法、有限壳元法、有线条法，有梁单元、板壳单元和实体单元等几种单元形式[1]。

本文采用TDV RMv8i有限元程序建立曲梁模型，以某互通区匝道上一座13×20 m预应力混凝土现浇箱梁为例，取第二联4×20 m现浇箱梁进行建模分析，该桥第二联平面位于R=125 m（右偏）的圆曲线上，桥面宽度9 m，主梁采用单箱单室断面，梁高1.4 m，腹板为斜腹板，腹板水平厚度45 cm，顶板厚25 cm，底板厚22 cm，悬臂长1.75 cm，悬臂端部厚18 cm，悬臂根部厚45 cm，箱梁内腔顶倒角100×20 cm，底倒角20×20 cm。桥面铺装采用10 cm厚沥青混凝土+10 cm厚C50钢纤维防水混凝土，桥面两侧设置防撞墙，汽车荷载等级为公路-I级。箱梁模型采用空间梁单元，共划分84个单元，结构有限元模型见图1。

图1 结构有限元模型图

2 曲线梁桥支承布置形式

一般多跨曲线梁桥边墩或桥台一般布置抗扭支承，中间支承布置可分为三类：a）A型，全桥墩、台上均设置抗扭双支座。b）B型，两端桥台上设置抗扭双支座，其余均为单点铰支承。c）C型，中间桥墩上单点铰支承与抗扭双支座兼有[2]。本文拟用7种结构支承布置方案来研究其对曲线梁桥效应的影响，7种结构支承布置方案见表1。

3 计算结果与分析

荷载工况考虑结构自重+二期恒载（防撞墙采用偏心加载）、活载作用，上述荷载均按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)取值。活载布载时按最不利荷载从曲线梁桥外弧靠防撞墙侧0.5 m处开始布载，方案1～方案7曲率半径均按R=125 m(右偏)建模时取用。

表1 曲线梁桥结构支承布置方案

3.1 不同支承形式对曲线梁桥扭矩效应的影响

曲线梁桥在结构自重+二期恒载、活载作用下产生的主梁扭矩见图2～图3。

图2 自重+二期恒载扭矩Mx图

从图2可以看出，A型方案1～方案3各墩顶均设置抗扭支承，设置偏心前后的扭矩几乎没有变化；B型方案4～方案5只在两头墩上设置抗扭支承，设置偏心前后的扭矩有明显变化；C型方案6～方案7在两头墩和对称墩上设置抗扭支承，设置偏心前后的扭矩有明显变化，对称墩对改善梁体扭矩作用明显。从图3可以看出，设置偏心后活载产生的扭矩变化不明显，而在各墩顶设置抗扭支承，设置偏心前后主梁的扭矩几乎没有变化。

3.2 不同支承形式对曲线梁桥扭转变形效应的影响

曲线梁桥在结构自重+二期恒载、活载作用下产生的主梁扭转变形见图4～图5。

图4 自重+二期恒载扭转变形Rx图

图5 活载扭转变形Rx图

从图4可以看出，在结构自重+二期恒载作用下设置支座偏心距可以减小主梁的扭转变形；支座偏心距不能设置过大，从方案5、方案7扭转变形曲线可以看出，由于设置支座偏心距0.2 m，梁体向内弧侧扭转；方案1～方案3各墩顶均设置抗扭支承，方案3设置支座偏心距对改善梁体扭转作用不明显。从图5可以看出，在活载作用下设置支座偏心距可以减小主梁的扭转变形；从方案6、方案7扭转变形曲线可以看出，对称墩设置抗扭支承较未设置抗扭支承对改善梁体扭矩作用很明显，有效地限制了梁体向外弧方向扭转；从方案4、方案5（中间各墩顶均设置点铰支承）扭转变形曲线可以看出，梁体扭转变形最大值较其他方案大，在桥梁设计时应予以重视，以防桥梁在活载偏载作用下主梁结构出现翻转，下部墩台结构失稳。

3.3 不同支承形式对曲线梁桥支座反力效应的影响

方案1～方案7支承布置下，支承反力数值见表2。

表2 支承布置方案1～方案7支座反力 kN

从表2可以看出，在结构自重+二期恒载作用下，方案1、方案2、方案4、方案6未设置支座偏心，曲线梁桥外侧支座反力大于内侧支座反力；方案3、方案5、方案7设置支座偏心，支座偏心对自重+二期恒载作用下的支座反力影响较明显，使曲线梁桥内侧支座反力大于外侧支座反力，但内外侧支座反力之和基本不变；支座偏心对活载作用下的支座反力影响不明显；对称墩设置抗扭支承后，主梁梁端侧内外侧支座反力趋向均衡，对称墩内外侧支座反力之和与同位置单支点反力相比较基本没有变化。

4 结语

a）对于全桥均设置抗扭支承的情况，设置支座偏心距对改善主梁扭转效应作用不大，而对于两端设置抗扭支承，中间各墩均设置单点支承的情况，设置支座偏心距对改善主梁扭转效应作用明显。在设计中，支座偏心距的设置大小，一般使桥两端外侧支座的正负扭矩值接近为好。

b）对称墩设置抗扭支承，对改善主梁的扭转变形作用明显。在设计中，对于联长较长、曲线半径较小的曲线梁桥，尽可能在全联设置抗扭支承，其对改善主梁的扭转变形、主梁内外侧支座反力分布起到积极的作用。桥墩形式可以采用双柱式、多柱式、矩形实体墩、花瓶墩等等形式，可根据桥址处实际情况而定。

c）对于两端设置抗扭支承内外侧支座反力而言，支座偏心距对恒载所产生支座反力影响很大，使支座反力重新分布，对活载所产生支座反力影响不明显。对于中间墩设置单点铰支承支座反力而言，无论恒载、活载、支座偏心对支座反力的大小影响不明显。对于全桥均设置抗扭支承内外侧支座反力而言，当联长较短或桥孔不多时，可将固定支承放于一端的桥台上或分联墩上。