程偉

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海市 200235）

全抗扭支座預(yù)應(yīng)力連續(xù)彎箱梁橋的研究

程偉

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海市 200235）

從對(duì)結(jié)構(gòu)受力合理的目的出發(fā)，論述了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎橋制動(dòng)墩的選擇、支承橫向偏心位置的調(diào)整及釋放部分水平約束對(duì)曲線梁橋內(nèi)力的影響，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析，其分析結(jié)果對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎橋的支座布置設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

連續(xù)彎橋；制動(dòng)墩；支座反力；水平約束

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)軌道交通的迅速發(fā)展，高架區(qū)間工程愈來(lái)愈多，由于地形、地物的限制，線路沿著地面道路走行等原因，連續(xù)彎箱梁橋日益得到廣泛應(yīng)用。

連續(xù)彎橋設(shè)計(jì)中，支座的布置有兩種常用方式：（1）橋梁端部設(shè)抗扭支座，中墩處設(shè)有預(yù)偏心的單支座；（2）所有墩位處均設(shè)抗扭支座。近年來(lái)，由于獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故頻發(fā)，連續(xù)彎橋中墩采用獨(dú)柱墩點(diǎn)鉸支承暴露了很大的問(wèn)題。故本文結(jié)合實(shí)際工程僅對(duì)采用第二種支座布置方式的連續(xù)彎橋力學(xué)行為進(jìn)行了研究。

1 工程背景

上海市軌道交通8號(hào)線三期一出入段線橋，需跨越河流，連接正線。橋位處線路由直線、圓曲線和緩和曲線組成。為滿足限界要求，連續(xù)曲梁結(jié)構(gòu)中心線設(shè)置為曲線。由于受到周邊地塊的限制，該聯(lián)跨徑組合需為30 m+25 m+25 m、平曲線半徑R-75 m，橋?qū)?.05 m。本橋采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁體系，該橋平面見(jiàn)圖1。

圖1 橋位平面圖（單位:m）

上部結(jié)構(gòu)連續(xù)曲線箱梁采用等高箱型截面，梁高2.0 m，底寬4.0 m，頂板厚度為0.25 m，底板厚度為0.25 m，在支撐點(diǎn)4 m處漸變?yōu)?.35 m。在橋墩處根據(jù)計(jì)算設(shè)置支座偏心，橫梁相應(yīng)加寬，橫梁高度2.0 m，寬2.0 m，見(jiàn)圖2。

圖2 主梁橫斷面圖（單位:mm）

下部結(jié)構(gòu)中墩、邊墩均采用帶蓋梁的圓型實(shí)心獨(dú)柱橋墩。直徑為2.3 m。中墩、邊墩均采用矩形承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為5.8 m×5.8 m（橫×順），厚2.0 m?；A(chǔ)采用4根Φ1.2 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)55 m，樁基持力層為第7-2層。

彎橋平面內(nèi)的變形可以分為兩種[1]：（1）徑向變形；（2）切向變形。水平約束即限制了此兩種位移。本橋水平向約束的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)采用單向、多向活動(dòng)或固定的球形支座實(shí)現(xiàn)的。

2 制動(dòng)墩的選取

對(duì)四個(gè)橋墩分別作為制動(dòng)墩，約束沿切線方向的位移。四種制動(dòng)墩形式，恒載作用下其水平支座反力采用Midas Civil 2012計(jì)算后，比較情況見(jiàn)圖3。

圖3 恒載作用下其水平支座反力（單位:kN）

結(jié)論：恒載作用下，

（1）一般中墩水平力大于邊墩水平力；

（2）制動(dòng)墩會(huì)產(chǎn)生水平面內(nèi)的扭矩；

（3）不同墩做制動(dòng)墩時(shí)，各墩徑向水平力，及制動(dòng)墩扭矩變化較大。

根據(jù)以上結(jié)論可知，制動(dòng)墩需進(jìn)行抗扭驗(yàn)算。實(shí)際設(shè)計(jì)中需嘗試幾種制動(dòng)墩布置形式，采取支座水平反力較小的布置。

四種制動(dòng)墩形式，在主+附組合作用下主梁內(nèi)力采用邁達(dá)斯軟件計(jì)算后，比較情況見(jiàn)圖4。

由圖4可知，在外荷載、自重等計(jì)算條件相同的條件下，各支座分別作為制動(dòng)墩時(shí)，可以得出如下結(jié)論：從梁體的內(nèi)力看，選用何種制動(dòng)墩類(lèi)型，對(duì)梁體的水平向彎矩值和扭矩值影響不大，但對(duì)該梁體的豎向彎矩值則影響較大。

圖4 水平向力矩M、扭矩T、豎向力矩M比較圖（單位:kN·m）

3 抗扭支座橫向偏心位置的調(diào)整

本工程采用的支座布置形式見(jiàn)圖5。

圖5 25 m+25 m+30 m曲線箱梁的支座布置形式

3.1 支座不偏心時(shí)支反力比較

從表1計(jì)算結(jié)果表明，在恒載作用下第1號(hào)至第4號(hào)支承的內(nèi)、外側(cè)支座反力大小很不均勻，即連續(xù)曲箱梁邊、中墩支反力因受扭矩的作用而導(dǎo)致外側(cè)大于內(nèi)測(cè)，制動(dòng)墩外側(cè)支反力約為內(nèi)側(cè)的2倍(見(jiàn)表1)。在主+附組合下，中墩內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力。

表1 不設(shè)置支座橫向偏心時(shí)支反力(單位：kN)

3.2 調(diào)整支座偏心后支反力比較

尋找支座調(diào)整對(duì)反力影響規(guī)律，進(jìn)行以下兩種支座偏心調(diào)整：（1）3號(hào)支承內(nèi)外側(cè)支座向外偏移0.2 m；（2）3號(hào)支承內(nèi)外側(cè)支座向外偏移0.4 m。反力結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 3#墩設(shè)置0.2 m支座橫向偏心時(shí)支反力(單位：kN)

表3 3#墩設(shè)置0.4 m支座橫向偏心時(shí)支反力(單位：kN)

從表2、表3中可以看出,

（1）隨著支座橫向偏心值的增大，3#墩內(nèi)外側(cè)支承反力趨于均衡。

（2）3#支承向外偏移0.2 m和0.4 m所產(chǎn)生的支座反力變化基本成2倍關(guān)系，所以可得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，支座偏心調(diào)整產(chǎn)生的支座反力變化成線性關(guān)系。

（3）3#支承外側(cè)支座減小的支座反力和內(nèi)側(cè)支座增加的支座反力相等，且其他支承的支座反力變化不大，幾乎可忽略。

可得結(jié)論：支座向外偏移，內(nèi)支座反力增大，外支座反力減小，且主要對(duì)該支承處支座反力有影響。在實(shí)際工作中，可先建立不偏心的計(jì)算模型，得出各個(gè)支座反力，然后在模型中一次性調(diào)整各個(gè)支座的偏心，得出各個(gè)支座反力的變化。根據(jù)支座調(diào)整產(chǎn)生反力變化為線性關(guān)系以及支承調(diào)整只對(duì)本支撐處支座反力產(chǎn)生變化，據(jù)此可求出需要的各個(gè)支座偏心量，避免了反復(fù)調(diào)整支座偏心的工作量。

（4）由支座反力合力不變可知，設(shè)置支座橫向偏心對(duì)主梁內(nèi)力沒(méi)有影響。

在設(shè)計(jì)中，支座橫向偏心量值可以采取下列控制指標(biāo)：

a.荷載組合下防止出現(xiàn)支座脫空；

b.平衡上部結(jié)構(gòu)恒載對(duì)墩柱的彎矩，以減小下部結(jié)構(gòu)的規(guī)模。

4 徑向水平約束的選取

為保持伸縮縫處梁體變形較小，將制動(dòng)墩設(shè)置在1#墩，僅釋放2#、3#墩徑向水平約束，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 釋放支座2徑向約束后恒載作用下水平力（單位:kN）

圖7 釋放支座2、3徑向約束后恒載作用下水平力（單位:kN）

結(jié)論：只需部分釋放支座徑向約束，全橋支座水平力即可大大減小，這對(duì)橋墩設(shè)計(jì)較為有利。尤其墩高較高，水平力引起的墩底彎矩很大時(shí)，釋放水平約束是較為實(shí)用的手段。

采取不同徑向水平約束時(shí)，在主+附組合作用下主梁內(nèi)力采用邁達(dá)斯軟件計(jì)算后，比較情況見(jiàn)圖8。

圖8 水平向力矩M、扭矩T、豎向力矩M比較圖（單位:kN·m）

由圖8可知，在外荷載、自重等計(jì)算條件相同的條件下，部分釋放水平約束時(shí)，可以得出如下結(jié)論：

從梁體的內(nèi)力看，部分釋放水平約束，對(duì)梁體的水平向彎矩值和扭矩值影響不大，但對(duì)該梁體的豎向彎矩值則影響較大。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）恒載作用下，一般中墩水平力大于邊墩水平力。制動(dòng)墩會(huì)產(chǎn)生水平面內(nèi)的扭矩，需進(jìn)行抗扭驗(yàn)算。不同墩做制動(dòng)墩時(shí)，各墩徑向水平力，及制動(dòng)墩扭矩變化較大。實(shí)際設(shè)計(jì)中需嘗試幾種制動(dòng)墩布置形式，采取支座水平反力較小的布置。

（2）在外荷載、自重等計(jì)算條件相同的條件下，采取不同的水平約束形式時(shí)，可以得出如下結(jié)論：從梁體的內(nèi)力看，采取不同的水平約束形式對(duì)梁體的水平向彎矩值和扭矩值影響不大，但對(duì)該梁體的豎向彎矩值則影響較大。但是，設(shè)置支座橫向偏心對(duì)主梁內(nèi)力沒(méi)有影響。

（3）支座向外偏移，內(nèi)支座反力增大，外支座反力減小，在一定范圍內(nèi)，支座偏心調(diào)整產(chǎn)生的支座反力變化成線性關(guān)系。且主要對(duì)該支承處支座反力有影響。在實(shí)際工作中，可先建立不偏心的計(jì)算模型，得出各個(gè)支座反力，然后在模型中一次性調(diào)整各個(gè)支座的偏心，得出各個(gè)支座反力的變化。根據(jù)支座調(diào)整產(chǎn)生反力變化為線性關(guān)系以及支承調(diào)整只對(duì)本支撐處支座反力產(chǎn)生變化，據(jù)此可求出需要的各個(gè)支座偏心量，避免了反復(fù)調(diào)整支座偏心的工作量。

（4）在設(shè)計(jì)中，支座橫向偏心量值可以采取下列控制指標(biāo)：荷載組合下防止出現(xiàn)支座脫空；平衡上部結(jié)構(gòu)恒載對(duì)墩柱的彎矩，以減小下部結(jié)構(gòu)的規(guī)模。

（5）只需部分釋放支座徑向約束，全橋支座水平力即可大大減小，這對(duì)橋墩設(shè)計(jì)較為有利。尤其墩高較高，水平力引起的墩底彎矩很大時(shí)，釋放水平約束是較為實(shí)用的手段。

[1]邵容光,夏淦.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1994.

[2]姚玲森.曲線梁[M].北京:人民交通出版社,1989.

[3]李國(guó)豪.大曲率薄壁箱梁的扭轉(zhuǎn)和彎曲[J].土木工程學(xué)報(bào), 1987,20(1):65-75.

[4]林力成,林曉芳.連續(xù)彎梁橋計(jì)算模型分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,22(4):14-16.

U448.21+3

B

1009-7716（2016）12-0043-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.013

2016-09-20

程偉（1985-），男，河北廊坊人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。