小半径弯桥支座横向力的影响因素分析

王 静

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 概述

随着我国城市建设和高速公路的快速发展，立体交叉大量出现，小半径弯桥得到大范围的应用。但在实际所建成的曲线梁桥中，支座被剪断、爬移等工程事故多次出现。温度引起的向弯道外侧“爬移”的趋势也十分明显[1-2]。然而，在以往的研究中，人们往往重视弯桥中支座的布置方式对桥梁主梁受力的趋势和利弊的研究，而就支座的布置方式对支座本身受力的影响研究较少。

2 曲线梁桥受力特性

直梁结构的平面内变形，根据外荷载的作用方式较容易确定，如温度荷载作用下，结构沿横向和纵向两个方向的变形可分别计算，无需叠加；曲梁结构的平面变形则不同，由于弯曲和扭转耦合变形原因，结构沿横向（ΔV）和纵向（ΔU）两方向的变形不可分别计算，如图1所示。不仅温度作用如此，其收缩徐变、预应力、制动力、离心力、地震力等作用亦是如此[3]。

图1 曲梁平面变形

虽然曲梁平面变形较为复杂，但根据荷载作用力的方向可以大致判别平面变形情况。对于温度作用，曲梁弧段膨胀或缩短此时弧段的半径变化而圆心角不变，即半径r0→r，而圆心角φ0=φ；对于预应力作用，曲梁弧段的变形与预应力布置有关，一般讲弧段的半径和圆心角都在变，即半径r0→r，φ0→φ；对于收缩徐变作用，曲梁弧段的变形与温度、预应力作用有关，一般讲弧段的半径和圆心角都在变化，即半径 r0→r，φ0→φ；对于制动力、风力、地震力作用，曲梁弧段的变形与这些力的作用点和方向有关，一般讲弧段的半径和圆心角都在变化，即半径r0→r，φ0→φ.

在各种作用中，温度对支座横向受力的影响尤为突出[4-5]。支座横向受力和桥梁平面半径、温度有密切的关系。此研究，对实践中弯桥布置桥梁支座具有很强的指导意义。

3 工程实例分析对比

为比较温度、圆曲线半径和支座横向力的关系，现以4×20 m连续现浇箱梁为例，进行对比计算分析。箱梁顶宽8.5 m，箱梁高度1.4 m，悬臂长度2 m，平面位于半径分别为50 m、60 m、70 m的圆曲线上。下面分别建立不同的有限元模型，施加不同温度下相同的荷载[6]，比较温度作用力下支座的受力情况。

图2 支座布置图

箱梁支座具体布置如下：

a）0号墩1号支座采用单向滑动支座，滑动方向为纵向；0号墩2号支座采用双向滑动支座，滑动方向为纵向、横向。

b）1号墩1号支座采用单向滑动支座，滑动方向为纵向；1号墩2号支座采用双向滑动支座，滑动方向为纵向、横向。

c）2号墩1号支座采用固定支座；2号墩2号支座采用单向滑动支座，滑动方向为横向。

d）3号墩1号支座采用单向滑动支座，滑动方向为纵向；3号墩2号支座采用双向滑动支座，滑动方向为纵向、横向。

e）4号墩1号支座采用单向滑动支座，滑动方向为纵向；4号墩2号支座采用双向滑动支座，滑动方向为纵向、横向。

3.1 有限元模型的建立

本次计算利用空间有限元程序MIDAS CIVIL建立模型，全桥采用梁单元建立，主梁和支座节点采用刚性连接，支座采用弹性连接模拟，如图3。模型建立好以后，分别调整支座弹性连接的角度，以模拟支座滑动方向的调整，如图4。

图3 有限元模型图

图4 有限元模型支座布置

3.2 温度、圆曲线半径和支座横向力的关系

为研究温度、圆曲线半径和支座横向力的关系，本次建立3个有限元模型，分别为 50 m、60 m、70 m半径，施加整体升温荷载，以比较分析温度、圆曲线半径对支座横向力大小的影响。经计算，结果如表 1、表 2。

表1 0号墩1号支座不同半径、不同温度下支座横向力 kN

图5 0号墩1号支座温度和支座横向力的关系

图6 1号墩1号支座温度和支座横向力的关系

由表1、表2和图5、图6可以看出，温度产生的支座横向力与温度升高成正比关系，即在同一圆曲线半径下，随着温度的升高，支座受到的横向水平力越大。

图7 0号墩1号支座横向力和桥梁圆曲线半径的关系

图8 1号墩1号支座横向力和桥梁圆曲线半径的关系

由表1、表2和图7、图8可以看出，温度产生的支座横向力与桥梁的圆曲线半径成反比关系，即在同一温度荷载下，随着桥梁圆曲线半径的增大，支座受到的横向水平力减小。

表3 50 m半径支座约束方向受到的温度作用力 kN

表4 60 m半径支座约束方向受到的温度作用力 kN

表5 70 m半径支座约束方向受到的温度作用力 kN

图9 50 m半径各支座横向力

由表3～表5和图9～图11可以看出，离固定支座越近的支座，受到的横向力越大。

图10 60 m半径各支座横向力

图11 70 m半径各支座横向力

4 结论

由计算分析可知，支座受到的横向力的大小对温度和桥梁圆曲线半径十分敏感。通过比较分析，可以得出如下结论：

a）温度产生的支座横向力的大小与温度高低成正比关系。

b）温度产生的支座横向力的大小与桥梁的圆曲线半径的大小成反比关系。

c）在同一温度荷载下，同一圆曲线半径条件下，离固定支座越近的支座，受到的横向力越大。

d）在今后的设计和施工中，小半径弯桥的支座设置方式需引起极高重视，否则将直接影响到桥梁的使用安全。

e）本文仅研究在桥梁中间布置固定支座，两边对称布置滑动支座情况下，支座横向力和温度及圆曲线半径的关系，而未研究不对称布置滑动支座的情况，需在以后的工作中继续深入。