斜交梁桥空间模型支座反力参数化研究

2014-01-12翟鹏飞

山西交通科技 2014年6期

翟鹏飞

（山西省公路局长治分局，山西长治 046000）

0 引言

在山西省高速公路建设中，特别是在山区，桥梁工程所占比例较大，由于桥梁所处位置的地理条件、既有工程线路（如道路，铁路等）、公路线型要求等限制条件，部分桥梁有必要设计成斜交型式。斜交角度的大小大多数情况下取决于所跨既有线路与新建线路之间的交角。斜交桥有改善线路的优点，但由于存在斜交角，其所表现出来的力学行为特点也与正交桥有所不同。斜交桥在竖向荷载作用下弯曲时会伴随扭矩产生，而扭矩的产生又会反过来产生弯曲效应。同曲线桥一样，斜交桥梁在力学上也具有“弯扭耦合”效应，故其受力特点较直线桥复杂[1-2]。

本文对跨径为（22+2×30+22）m的斜交梁桥采用空间实体单元建立模型并进行了参数化分析，一是研究支座布置间距对斜交桥梁支座反力的影响规律，并通过其规律来对斜交桥梁的支座间距得出合理的布置间距；二是在某特定支座间距布置下，通过变化斜交角度来研究斜交角对斜交桥梁支座反力的影响规律。

1 工程概况及有限元模型建立

本斜交梁桥跨径布置为（22+2×30+22）m，桥宽12.0 m，单箱双室，斜交角θ=45°，主梁断面见图1。主要材料参数：主梁混凝土 C50，混凝土容重γ=26kN/m3；桥面铺装为10cm的C50防水混凝土+10 cm沥青混凝土，其中沥青混凝土的容重γ=24 kN/m3；防撞护栏（单侧）为10.5 kN/m。

图1 主梁截面尺寸（单位：cm）

本文采用大型有限元软件ANSYS中提供的SOLID65空间实体单元来建立该斜交桥梁有限元分析模型。有限元分析模型见图2，支座约束条件及支座编号见图3。

图2 斜交桥梁实体空间有限元模型图

图3 支座约束条件及支座编号示意图

2 斜交桥梁支座布置间距对支座反力的影响规律

在模型中分别设置支座间距d=4 m、d=5 m、d=6 m、d=7 m，斜交角θ=45°，在各个支座间距条件下，分析自重作用（一期+二期恒载）工况下斜交梁桥支座反力分布情况，支座竖向反力结果见图4。

图4 恒载工况下支座反力分布图

从图4中可以看出，对于四跨连续斜交梁桥，在各种支座间距布置条件下，支座反力分布规律为1、4号墩左侧支座反力小于右侧，而2、5号墩左侧支座反力则是大于右侧，3号墩左、右侧支座反力相等。此外，在跨径布置一定条件下，随着支座间距d的增大，1、2号墩左侧支座反力减小，右侧支座反力逐渐增大；3号墩左、右侧支座反力基本不变，而4、5号墩则是左侧支座反力增大，右侧支座反力减小。

同样在上述4种支座间距条件下，分析自重+车道偏载工况下斜交梁桥支座反力分布情况。由于该桥横桥向最大可以布置3个车道荷载，其中的两车道偏载属于最不利情况，故选取恒载+两车道偏载作用为分析工况，该两个车道根据规范布置在斜交桥梁中心线右侧。在各支座间距布置条件下斜交桥梁支座反力结果见图5。

图5 自重+车道偏载工况下支座反力分布图

从图5中可以看出，对于四跨连续斜交梁桥，该工况下各个支座间距布置下支座反力分布规律为1、2、3、4号墩左侧支座反力小于右侧，5号墩支座反力分布规律较复杂。随着支座间距d的增大，1号墩左侧支座反力减小，右侧支座反力增大；2号墩左、右侧支座反力基本没有变化，而3、4、5号墩则是左侧支座反力增大，右侧逐渐减小。

综合这两种工况下支座反力分布规律来看，恒载工况下主要是1、5号墩左、右侧支座反力差别较大，而在恒载+两车道偏载作用下主要是4号墩左、右侧支座反力差别最大，其次是1、2、3号墩。此外，在相同支座间距布置条件下，车道偏载作用会使得斜交桥梁同一支墩左、右侧支座反力差距变得更大。

3 斜交桥梁斜交角度对支座反力的影响规律

在模型中分别设置斜交角θ=0°（即正交桥）、θ=15°、θ=30°以及 θ=45°，支座间距 d=6 m，分析各种斜交角度下斜交桥梁支座反力在恒载工况下的分布规律。在支座间距一定条件下，各斜交角度下支座反力的分析结果见图6。

图6 自重工况下支座反力分布图

从图6中可以看出，该恒载工况下，当在θ=0°～45°范围内时，随着斜交角θ的增大，1号墩左侧支座反力减小，右侧支座反力增大；而5号墩则是左侧支座反力增大，右侧支座反力减小；其余各墩左、右侧支座反力相等。可见在直线桥的情形下，各支座左右侧支座反力均相等，但随着斜交角θ的增大，斜交桥“弯扭耦合”效应越来越明显，在边跨梁端所造成的扭矩也越大，最终表现为锐角处支座反力逐渐小于钝角处支座反力的分布规律。

同样在上述5种斜交角度下，分析自重+车道偏载作用下斜交桥梁支座反力分布规律，仍选取恒载+两车道偏载作用为分析工况。在各种斜交角度下斜交桥梁支座反力分布规律如图7所示。