支承方式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力性能的影响研究

杨爱民，卢文锋，刘 泉，李茂奇

(1.中国市政工程华北设计研究总院，天津市300074；2.东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040)

0 前言

改革开放以来，随着我国民经济的持续快速发展，高等级公路及城市道路建设的发展，社会对交通设施的需求量也随之加大，交通运输业蓬勃兴起。曲线桥[2]因布置灵活、受场地限制较小等特点得到了广泛的应用，已经成为高速公路、立交桥梁和高架桥梁中的一种不可或缺的重要桥型。这些立交桥和高架桥不仅缓解了所在城市的交通，而且还增添了所在城市的环境美观，成为一道亮丽的风景线，满足安全美、功能美、结构美、经济美、视觉美、环境美的要求。高等级公路在路线线形方面要求越来越高，在公路建设中，除特大桥梁外，一般要求桥梁的平面布置服从公路线形，在进行平、纵、断面三方面综合设计时，应做到平面流畅、纵坡均衡、横断面合理。

由于受地形、地物和占地面积的影响，在城市中立交桥往往受到用地面积的限制，所以曲线桥多为小半径的曲线梁桥，行车速度小的特殊桥梁平曲线半径可达到25 m[3]。在曲线梁桥下部结构设计时，为减少占用士地、改善下部结构布局、增加视野和桥形美观，其下部墩柱往往采用独柱支承方式，这种形式的曲线梁桥受力状态较为复杂，支承方式的选择对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥的受力影响较大[4]。

1 不同支承方式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力性能的影响

1.1 工程概况

某小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥设在一圆曲线上，曲线半径R=75 m。单孔跨径为25 m,孔跨布置为4×25 m+3×25 m+3×25 m，共三联十跨，桥长250 m。取边跨一联三跨为研究对象，平面布置见图1。主梁截面形式采用高1.8 m 的鱼腹式普通钢筋混凝土连续箱梁，为单箱五室，主梁横断面见图2。桥墩形式为独柱式桥墩，桥墩截面为底部两圆相交，向上横向呈酒杯状扩展，桥梁支承形式见图3。桥面宽度：12 m+2 m×0.5 m 防撞墙。设计荷载：汽车：城-A 级，人群：4 kN/m2。

采用梁格法[5][6]进行建模，全桥共分成213 个单元，其中120 个纵梁单元和93 个横梁单元。桥梁平面有限元模型见图4。

采用两种支承方式，一种是所有支座均为双支座，另外一种是曲线桥两端是双支座，跨中为单支座，现在考察这两种支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥受力性能的影响。具体支承情况见图5、图6。分别考察汽车荷载和恒载作用下的影响，汽车荷载模拟城-A 级。以边肋为例考察不同支承形式对受力的影响，分别取端支点处、1/8 跨、1/4 跨、3/8 跨、1/2 跨、5/8 跨、7/8 跨、边支点、1/8 跨、1/4 跨、3/8 跨、1/2 跨等几个位置作为测点。

1.2 不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥纵向弯矩的影响

首先，考察不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥纵向弯矩的影响，通过建立模型，可得在汽车荷载作用下，不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线梁桥纵向弯矩的影响情况见图7；在恒载作用下，不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线梁桥纵向弯矩的影响情况见图8。

由图7 可知：在汽车荷载作用下，边支点处的弯矩值变化较大，采用单支座时的纵向弯矩值是采用双支座时弯矩值的2.0 倍，除边支点处纵向弯矩值变化较大以外，中间独柱墩采用双支座和采用单支座对其他各点纵向弯矩值的影响非常小，差值均在5%以内。

由图8 可知：在恒载作用下，中间独柱墩采用双支座和采用单支座对其他各点纵向弯矩值的影响非常小，变化值均在5%以内。

所以，中间独柱墩采用双支座还是采用单支座对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥纵向弯矩值的影响较小。

1.3 不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥扭矩的影响

然后，考察不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥扭矩的影响，在汽车荷载作用下，不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线梁桥扭的影响情况见图9；在恒载作用下，不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线梁桥扭矩的影响情况见图10。

由图9 可知，在汽车荷载作用下，除中支点处采用双支座时的扭矩值小于采用单支座时的扭矩值外，其他各点采用单支座时的扭矩值明显大于采用双支座时的扭矩值，单支座时的扭矩值是双支座时扭矩的1.3～2.7 倍，这是由于采用双支座时，双支座可以大大减小小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥的“弯－扭”耦合作用。在3/4 边跨和7/8边跨处，采用双支座时的扭矩值大于采用单支座时的扭矩值，这是由于双支座的约束作用，扭矩值不能通过支座向桥墩传递，而是向主梁的两端传递，使得扭矩值发生了一个偏位。

由图10 可知，在恒载作用下，边跨各点采用单支座时的扭矩值明显大于采用双支座时的扭矩值，但是中支点处的扭矩值有一个突变。这是由于采用单支座时，由于小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥存在明显的“弯－扭”耦合作用，使得外梁出现超载现象，扭矩变化明显。

所以，采用双支座可以大大减小小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥的“弯－扭”耦合作用，使其受力均衡，变化平缓，有效避免出现过大的扭矩值。

1.4 不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥支座受力的影响

最后，考察不同支承形式对小半径鱼腹式连续曲线箱形梁桥支座受力性能的影响，不同支承情况下端部支座反力值见表1。

表1 不同支承时支座反力情况表（单位：kN）

由表1 可知，单支承形式有单支座变成双支座时，外梁侧支座的支反力由4 090 kN 减小为3 830 kN，减小了6.4%，内梁侧支座的支反力由1 280 kN 增加到1 540 kN，增加了20.3%，但是内外支座的支反力和相等；采用双支座时，端支承处的内、外支座反力值之差小于采用单支座时端支承处内、外支座反力值之差。采用单支座时中墩支座的反力为14 000 kN，小于采用双支座时内外支座之和为6 720 kN+7 290 kN=14 010 kN，但是差距不大。通过以上数据可以看出，采用双支座并不能减小支座反力，只是将外侧支座的支反力减小，内侧支座的支反力增加，使得内、外支座的受力相差越来越小，避免出现过大的外梁超载，内梁卸载现象，避免内侧支座出现拉应力。除了采用双支座可以减小内梁卸载，外梁超载现象外，还可以采用对单支座预设偏向的方式，是小半径鱼腹式连续箱形梁桥受力合理。

2 结论

从上面分析可以得出以下结论：

（1）全桥采用双支座可以有效减小扭矩值，但是对纵向弯矩值影响不大。

（2）全桥采用双支座不能减小支座的支反力之和，只是使内梁支座的支反力增加，外梁的支反力减小，支反力重新得到了分配。

[1]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2007.362.

[2]高岛春生,等.斜梁桥[M].中国建筑工业出版社,1978.81-89.

[3]新建武汉站工程车站建筑施工图设计[Z].中铁第四勘察设计院集团有限公司,2009.

[4]孙全胜,李茂奇.小半径曲线桥抗扭性能静载试验研究[J].公路,2009(12):43-47.

[5]Edmund C.Halnby.Bridge Deck Behaviour[M].London,ChaPman an Hall Ltd,1976.1-89.

[6]戴公连,李德健.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:人民交通出版社,2001.15-37.