基于支座预偏心设置下曲线梁桥设计研究

沈东强

摘 要：曲线梁桥面临着梁体倾覆、支座脱空等病害。本文采用Midas/Civil有限元软件建模分析支座预偏心量对曲线梁桥受力和位移的影响。分析结果表明，支座预偏心设置对梁端内外侧支座支反力起到了重分布的作用，且能改善扭矩在梁体内的分布情况，为工程设计提供理论依据。

关键词：曲线梁桥;支座预偏心;独柱墩;支反力

0 引言

近年以来，随着城市轨道交通的大力建设，桥梁面临的交通运输压力以及功能需求也日益增大。因此，曲线桥梁以其独特的转向功能、对地形空间需求小等优点受到设计师的广泛关注。在设计手段欠缺和有限元软件匮乏的年代，通常采用“以直代曲”的方法来调整桥梁平面曲线[1]。曲线梁桥使桥梁建筑与周围自然美景融为一体，大大提升了桥梁的美学造诣[2]。

与直线梁桥相比，曲线梁桥主梁弯-扭耦合效应[3]显著。受到桥下净空等因素影响，中间墩往往采用独支座设计，由此便增加了扭矩在梁体内的一个传力长度[4]，导致梁端部需要采用更强的抗扭约束。另外，不合理的支座布置形式还会导致梁体偏转、侧移、支座脱空等病害的发生。

1 支座预偏心设置

1.1 曲线梁桥病害

首先，由于梁体内外两侧曲线长度不同，自重无法平衡，在自重的作用下会在固结中支墩处产生径向弯矩，使墩台受拉，墩身出现开裂[5]。其次，在重力和系統升温共同作用下，梁体会产生向外侧的线位移，当其累积到一定量时，梁体有发生倾覆的危险[6]。

1.2 曲线梁桥支座预偏心设置的必要性

曲线梁桥在恒载的作用下，会因截面体积重心的偏心而产生沿梁长分布的均布扭矩，且曲线半径越小，效应越发明显[3]。对于不设置支座偏心的曲线梁桥，在梁端附近扭矩最大。而支座预设偏心后，预偏心支座处的竖向反力对梁剪切中心产生的附加偏心力矩在边跨达到最大[7]，且方向与无偏心设置时的梁端扭矩相反，大大改善了结构的扭矩分布情况，使梁端扭矩峰值大大减小。

2 工程实例

2.1 工程概况

陕西某等截面曲线连续梁桥四跨一联，每跨20 m，曲率半径为75 m，单幅桥面总宽10.8 m，净宽8.75 m，箱梁高度1.2 m。采用独柱式墩、肋式桥台和桩基础，设计荷载：汽车-超20级，挂车-120;地震烈度：7度，梁体截面尺寸如图1所示。

3 数值计算模型

本文采用桥梁专业软件Midas/Civil对该单联四跨桥进行有限元建模。全桥共计98个节点，90个单元，7个弹性连接，7个刚性连接。P1、P3支座布置预偏心范围为0 m～0.25 m，每组工况以0.05 m为间隔布设偏心支座，简化模型如图2所示。

4 计算结果分析

4.1 支座反力

在自重作用下，P1、P3预设不同的偏心距时支座反力的大小见表1。

从表1可以看出，支座预设偏心对桥梁端部支反力差值过大的情况有所改善。在支座偏心距设置为0 m～0.15 m这个区间，桥梁端部外侧支座支反力逐渐减小，而内侧支座支反力在逐渐增大，内外侧支座支反力逐渐趋于相等，当偏心距预设为0.15 m时，二者大小基本一致，使支座反力得到重新分配。

4.2 扭矩

如图3～4所示，在一定范围内适当增加支座的偏心距可以有效降低曲线梁桥端部的扭矩，使得梁端在自重作用下受到过大扭矩的情况有所改善。增加支座偏心距使得梁体端部扭矩整体向下平移，在偏心距设置为0.15 m（图4）时，梁端几乎不受到扭矩作用。而当进一步增加偏心距时，梁端又会受到一个与之前方向相反的扭矩。

在自重作用下，端支座反力差值和扭矩与偏心距近似呈线性相关。在支座偏心距设置在0 m～0.15 m这个区间内时，增大偏心距可使得内外侧支座支反力差值减小，使得反力得到了重分配，同时梁端扭矩也逐渐减小，对曲线梁桥受力也更加有利。需要注意的是，当支座偏心距设置超过0.15 m时，内侧支座支反力会大于外侧，同时曲线梁桥端部形成一个与未设置支座预偏心情况下方向相反的扭矩，有向外侧倾覆的风险。

4.3 弯矩

从上述计算图示可以看出，在自重作用下，曲线梁桥全桥受弯情况受支座预偏心影响较小，相比于未设置预偏心支座，支座预偏心0.15 m时的桥梁的弯矩仅增长了0.87%，仅与自身受力情况相关。综上所述，曲线梁桥支座偏心与否，不影响全桥的受力情况。

5 结论

经过对不同支座偏心量下，曲线梁桥受力和位移的研究，本文得出以下结论：

（1）在0 m～0.15 m这个范围内，增大支座预偏心量会减小外侧支座支反力同时增大内侧支座支反力，并逐渐使二者趋于同一水平，达到支反力重分布的作用。

（2）调整支座预偏心量会起到改善扭矩在桥梁段分布的作用，降低梁端抗扭支座处扭矩大小，当支座预偏心量为0.15 m时，改善效果最佳。

（3）独柱墩中支座曲线梁桥设置预偏心量对全桥的弯矩影响幅度很小，基本可以忽略。

（4）中间采用独柱墩设计的曲线梁桥经常发生失稳事故，在设计时，应合理设计支座预偏心度，提高曲线梁桥抗倾覆的能力。

参考文献：

[1]赵成功，王小冬，杨德厚，等.既有中小跨径曲线梁桥梁体径向爬移机理分析[J].中外公路，2018，38（3）：162-167.

[2]弗里茨·莱昂哈特.桥梁建筑艺术与造型[M].徐兴兰，高言法，姜维龙，译.北京：人民交通出版社，1988：33-35.

[3]何维利.独柱支承的曲线梁桥设计[J].北京建筑工程学院学报，2001，17（4）：23-28.

[4]鲜李，奉龙成.支座预偏心设置对曲线梁桥受力性能的影响[J].公路交通技术，2014（10）：62-66.

[5]郑国华.支座预偏心对曲线梁桥结构受力性能影响的研究[J].工程与建设，2012，26（6）：775-776+786.

[6]姜爱国，杨志.独柱墩曲线梁桥倾覆轴线研究[J].世界桥梁，2013，41（4）：58-61.

[7]刘海桃.独柱支承曲线梁桥中支座预偏心设置研究[J].交通科技，2011（5）：1-3.