小半径钢箱梁桥整体稳定分析

2020-05-22吴新强合肥市市政设计研究总院有限公司安徽合肥230041

安徽建筑 2020年4期

吴新强（合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽合肥 230041）

1 引言

随着城市建设的快速发展，城市高架桥、大型互通立交桥如雨后春笋般拔地而起。由于受地形、管线以及用地面积的限制，涌现出大量的小半径曲线桥梁。钢箱梁因具有良好的抗弯性能、可靠的抗扭性能和较大的跨越能力，在用地受限的城市桥梁设计中被广泛应用[1]。但自重较小，结构整体稳定性较差。在工程实际中，小半径曲线梁桥常出现诸如梁体向曲线外侧径向位移、梁体曲线内侧支座脱空等病害，甚至发生梁体整体倾覆事故，造成重大的经济损失和恶劣的社会影响。故小半径曲线梁桥整体稳定性越来越受到重视。规范[2]4.1.8条：持久状况下，梁桥不应发生结构体系改变，并应同时满足下列规定：①在基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；②在作用标准值进行组合时，整体式截面简支梁和连续梁的作用效应应满足抗倾覆稳定要求。

2 曲线梁桥整体稳定概述

与直线梁桥相比，由于曲线梁桥始终处于弯扭耦合作用下，其在结构受力上有显著特征：在直桥中，只有当荷载偏心时才产生扭矩，而在曲线梁桥中，无论荷载是否偏心都有弯矩和扭矩产生，由于扭矩的作用，曲梁外侧加载内侧减载，使得梁体外侧的挠度大于内侧的挠度，外侧的弯曲应力大于内侧的弯曲应力[3]。这种状况反映到支座反力上，外侧支座反力显著大于内侧，在可变荷载（活载、温度等）作用下，内侧支座甚至出现负反力，导致支座脱空，这是倾覆过程的开始，此时桥梁结构体系发生变化。

目前，保证曲线梁桥整体稳定的措施主要有设置支座预偏心、采用抗扭型支承、梁端配重等。采用不同的支承方式，对曲线梁桥上下部内力影响较大。对于弯梁桥，中间支承一般分为2种类型：抗扭性支承（多支点或墩梁固结）和单点铰支承[4]。由于扭矩不能通过单点铰支承传递至下部结构，只能通过曲梁两端抗扭支承来传递，从而导致梁体产生过大扭矩，对结构受力不利。故小半径曲线梁桥应尽量避免设计单支座。

本文通过一工程实例，探讨不同支承方式下，小半径曲线钢箱梁桥支座反力的特点，并结合局部配重，分析曲线梁桥整体稳定的合理措施。

3 小半径钢箱梁桥实例

3.1 工程概况

某匝道桥位于半径90m的圆曲线上，超高横坡2%，跨径布置为3×30m，梁高1.8m，采用单箱单室斜腹板钢箱梁，箱梁顶板宽9.5m，底板宽4.8m，悬臂长度1.7m。中墩及边墩均采用双支座，支座间距2.4m。

3.2 计算模型

采用有限元软件MIDAS Civil2017建立空间分析模型。主梁采用单梁进行模拟，支座按实际位置建立节点，并与主梁节点刚性连接。如图1模型一所示，边中墩均采用双支座抗扭支承。

图1 模型一

图2 模型二

为了进行比较，将2号墩抗扭支承改为柔性固结墩建立模型二，判断墩梁固结情况下支反力特点。

4 不同情况下的支座反力

4.1 不设支座预偏心

图3 不设支座预偏心模型一恒载作用下反力

图4 不设支座预偏心模型二恒载作用下反力

图3、图4表明：恒载作用下当支座关于结构中心线两侧对称布置时，中墩处支座反力基本相当，边墩处支座反力相差较大。

图5 不设支座预偏心模型一基本组合下最小反力

图6 不设支座预偏心模型二基本组合下最小反力

图5、图6表明：采用2号墩固结的约束方式，3号中墩内外支座的负反力增加约140kN，4号边墩负反力相差不大，1号边墩相差较大。单从反力表现来看，墩梁固结方案并不有利。并且墩梁固结构造及受力均较为复杂，节点处应进行空间分析。实际工程中常出现墩梁固结处在立柱顶部产生水平环形裂缝。故下面的探讨以中墩采用双支座抗扭支承（模型一）为基础。