弯箱梁桥支座反力影响因素分析

林 峰，陈娟婷

（东南大学建筑设计研究院有限公司，南京 210096）

近年来，我国修建了大量城市立交。为了满足路线设计要求并充分利用空间，小半径连续弯箱梁桥被广泛应用于互通匝道桥中，但弯箱梁桥倾覆却屡见不鲜。2009年7月15日，津晋高速公路天津塘沽收费站东侧800 m处匝道桥发生坍塌事故；2011年2月21日浙江上虞市春晖互通匝道发生侧倾事故；2015年，广东粤赣高速公路河源段匝道桥在超重车作用下发生倾覆事故[1]。因此，对弯箱梁桥的倾覆原因进行分析显得尤为重要。

1 弯箱梁桥结构特点

由于曲率的存在，弯箱梁桥的受力情况与直线桥梁不同，主要有以下特征[2]：

（1）由于主梁的“弯扭”耦合效应，会出现内外侧梁受力不均的情况。

（2）当横梁处设置抗扭支座的时候，由于扭矩的存在，一般外侧支座反力大于内侧支座，严重时会出现内侧支座脱空现象，造成箱梁倾覆。

（3）由于弯扭作用，主梁外侧竖向挠度大于内侧，在温度等作用下，易出现向曲线外侧“爬移”的现象。

针对近年来出现的弯桥倾覆事件，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2016）中规定了弯桥抗倾覆安全系数的计算方式如下[3-4]：

但是，在实际设计工作中，常用的还是通过计算调整，防止支座出现负反力（拉力）的办法来满足弯桥的抗倾覆要求。

2 支座反力影响因素分析

2.1 工程概况

某连续箱梁采用C50混凝土，跨径布置为3×28 m，梁高1.8 m，箱梁宽度10.1 m，箱梁中心线平曲线半径R=80 m，中横梁厚2 m，端横梁厚1.5 m，横梁支座均采用双支座，并向曲线外侧设置30 cm偏心，支座位置处断面如图1所示，箱梁纵向预应力钢束布置如图2所示。

图1 箱梁断面图（单位：cm）

2.2 有限元模型的建立

使用有限元软件Midas Civil建立空间梁单元模型，纵向定义为X方向，横向定义为Y方向，竖向定义为Z方向，如图3所示。

图2 箱梁预应力钢束布置图（单位：cm）

图3 箱梁有限元模型

结构所承受的荷载分为以下几类：

（1）恒荷载：箱梁自重+桥面铺装+护栏+收缩徐变；

（2）钢束预应力荷载：波纹管摩擦系数μ=0.25（金属），管道偏差系数k=0.001 5；钢束张拉回缩量：单端张拉取6 mm，两端张拉取12 mm；

（3）活载：按照规范取2车道偏曲线外侧加载；

（4）整体温度变化：整体升温25 ℃，整体降温25 ℃；

（5）梯度温度效应：升温 T1=14 ℃，T2=5.5 ℃；降温 T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃；

（6）支座沉降：每个支座最大沉降值取8 mm。

表1为各项荷载产生的支座反力（压力为正，拉力为负），其中可变荷载效应取支座产生的最大拉力。

由表1可知，0～3#支座压力储备较小的地方均在内侧支座，最不利的支座位置为2#内支座，压力储备仅有184.6 kN。

将表1数值进行处理，可以得到各项荷载产生的支座反力占总反力的比重i%，i=100×Sdi/∑|Sdi|，其中，Sdi为各项荷载产生的支座反力，以支座受压为正，受拉为负，结果如图4所示。

表1 各项荷载产生的支座反力 kN

图4 各项荷载产生的支座反力占比

由图4可知，恒载产生的支座反力占总反力的比值是最大的，且使支座产生压力；预应力产生的支座反力占总反力的比值仅次于恒载，且在1#和2#内支座产生了较大拉力，这是导致中横梁处内支座压力富余度较小的主要原因；活载主要导致0#和3#内支座产生了较大的拉力，这是导致端横梁处内支座压力富余度较小的主要原因。

预应力钢束的配束分为顶板束、腹板束和底板束，设计中通过调整这3种钢束的线型以及数量，使得结构受力满足规范要求。表2为分别张拉3种钢束引起的各支座反力，表3为分别张拉3种钢束引起的支座反力占预应力产生的总支座反力的比重。

表2 各预应力钢束产生的支座反力 kN

由表2～3可知，底板束和腹板束是产生支座反力的主要因素，且两者影响差不多，相比之下顶板束的影响则小很多。腹板束和底板束导致1#和2#内支座出现拉力，这主要是因为张拉钢束之后预应力次效应的存在，端横梁支座总体受压，中横梁支座总体受拉，且端横梁支座反力对中横梁处梁体产生向箱梁外侧倾覆的扭矩，增大了中横梁两支座之间支座反力的差值。

表3 各预应力钢束产生的支座反力占比 i %

本模型中底板束共计5.2 t，顶板束共计0.98 t，腹板束共计17.3 t，底板束用量约为腹板束的1/3，但是在中横梁内支座产生的拉力却比腹板束还要大，因此，在对弯箱梁桥进行配束时应尽量减少底板束的用量，以避免中横梁内支座出现脱空现象。

2.3 平曲线半径对弯箱梁支座反力的影响

弯箱梁桥中心线的平曲线半径是影响其支座反力分配的重要因素[5]，本节改变箱梁中心线的平曲线半径，另增R=50 m，R=110 m，R=140 m 3种工况，以0#内支座和1#内支座为研究对象，探讨平曲线半径对支座反力的影响，结果如图5～8所示。

图5 不同平曲线半径下各支座总反力

图6 0#内支座各项荷载产生的支座反力占比

图7 1#内支座各项荷载产生的支座反力占比

图8 不同平曲线半径下3种钢束的支座反力占比

图5为改变箱梁中心线平曲线半径时，各支座总反力的数值；图6、图7分别为箱梁中心线平曲线半径变化时，0#和1#内支座处各项荷载产生的支座反力占总反力的比重；图8为平曲线半径变化时，3种钢束引起的支座反力占预应力产生的总支座反力的比重。

由图5可知，随着平曲线半径的增大，箱梁扭矩逐渐减小，结构呈现出外支座压力逐渐减小，内支座压力不断增大的趋势，内外支座差值越来越小，两者受力趋于平均。

由图6～7可知，随着平曲线半径的增大，恒载产生的支座反力占总反力的比重越来越大，预应力、整体温度、梯度温度、支座沉降所产生的支座拉力的比例越来越小，对于0#内支座，预应力甚至导致支座反力产生了压力。但是活载所占比重对于1#内支座反而是增加的，对于0#内支座依然是减小的。

由图8可知，随着曲率半径的增加，顶板束、腹板束、底板束引起的支座反力占钢束预应力产生的总反力的比值基本维持不变。

3 结论

根据以上分析，可以得到如下结论：

（1）由于弯箱梁桥存在“弯扭”耦合效应，预应力效应使得中横梁内支座产生拉力，活载使得端横梁内支座产生拉力，此两者是导致弯箱梁桥内侧支座脱空的主要原因。

（2）腹板束和底板束是预应力钢束中产生支座反力的主要因素。张拉后预应力次效应产生了支座反力，支座反力产生的扭矩使箱梁有整体向外倾覆趋势，增加了内外侧支座反力的差值。

（3）随着曲率半径的增大，弯箱梁桥内外支座反力的差值越来越小，恒载所占比例越来越大，除活载外的可变荷载所占比例越来越小，同时顶板束、腹板束、底板束引起的支座反力占预应力产生的总反力的比值基本维持不变。

（4）弯箱梁桥中底板束虽然用量不多，但是对箱梁支座反力有着较大的影响，因此在设计中建议增加腹板束和顶板束的配置，减少底板束的配置。

参考文献

[1]杜惠荣，张伟国.浅析弯桥倾覆原因和改善方法[J].工程建设与设计，2017，7（3）：124-126.

[2]胡丰玲.小半径连续弯桥设计探讨[J].工程设计，2012，26（3）：366-411.

[3]姚玉强，张磊，张杨.中小跨径连续梁桥箱梁抗倾覆计算研究[J].西南公路，2013（1）：64-67.

[4]王文龙.混凝土箱梁桥抗倾覆性能与增强措施研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[5]胡丰玲.连续弯箱梁桥预应力钢束张拉次序研究[D].南京：东南大学，2004.