预偏心设置对小半径曲线箱梁桥受力性能的影响

唐朝阳

(福建省公路管理局，福建福州 350002)

随着交通流量的加大，需要架设立体交通疏解交通堵塞，曲线桥梁不仅能够满足这类交通需要，且与周围建筑能更加自然协调，符合广大人民群众审美，因而曲线梁桥广泛应用于高等级公路、城市立交桥等工程中[1]。所以，研究弯桥的受力性能也成为弯梁桥发展需要解决的问题。

对于预应力混凝土弯梁桥的受力及性能分析。鲍志旺等[2]运用有限元软ANSYS，分析了独柱墩预偏心设置对小半径匝道弯桥支座竖向反力、梁体位移、扭矩的影响；曾永文等[3]人探讨了不同曲率半径和跨径对匝道弯桥基本力学性能的影响；惠兴志[4]研究了曲线半径、箱梁截面尺寸、支座类型及布置方式对弯桥梁体偏移的影响；侯克鹏[5]对不同荷载作用下支座的支反力进行分析，对比均匀温度与梯度温度单独作用下对横向爬移量的贡献；朱剑锋等[6]针对厦门BRT弯桥运营中，考虑各项结构受力和试验数据，做出受力性能分析；相宏伟[7]研究分析了连续独柱墩弯桥的支座偏心位置对桥梁整体抗倾覆性能的贡献；魏霞，曹猛等[8-9]人分别研究了现浇箱梁独柱墩弯桥抗倾覆稳定性并分析具体存在安全问题的原因及解决措施和不同曲率半径对小半径匝道弯桥受力的影响以及对小半径匝道弯桥抗倾覆性能的影响。然而，针对中支点为独柱墩单支座的小半径连续弯梁桥对其进行预偏心设置分别对自重荷载工况、移动荷载工况以及综合两种工况下的组合荷载工况的受力性能分析却鲜有报道。

本文依托某3×30m连续预应力混凝土连续梁桥为工程背景，利用MidasCivil2015建立分析模型，分析了在该桥中支点为独柱墩单支座的情况下，对中支点支座进行一定的预偏心值，分别分析预偏心值对该桥梁在自重荷载工况、汽车荷载工况以及对移动荷载和自重荷载的组合荷载工况下的内力的影响规律。该结果可为城市预应力混凝土匝道桥的设计提供参考。

1 计算模型

1.1 工程概况

桥址场地位于福建省福州市闽侯县南屿镇城市立交某段，全桥总体跨径布置为3×30m，曲率半径为80m，采用预制混凝土箱梁，混凝土为C50，等截面的公路连续梁桥的高度与跨度之比通常在1/25-1/15之间，本次设计梁高取值为1.8m，桥梁全宽为8.5m。跨中截面和支点截面分别如图1和图2所示。

图1 跨中截面(单位：cm)

图2 支点截面(单位：cm)

1.2 有限元模型

利用MidasCivil2015建立该3×30m、半径为80m的小半径弯桥的有限元模型(图3)，主梁梁体用空间梁单元模拟，采用“以直代曲”的方法将主梁等分为90个直线段，并考虑腹板变化处截面变化影响，建立曲线梁桥，这样就将全桥划分为98个单元，每个单元包含2个节点，每个节点考虑3个平移自由度和3个转动自由度。

图3 有限元模型

本文所建模型边界条件为：混凝土箱梁均用一般支承模拟支座受力，两个边墩采用双支座支承，其中一边支座约束DX、DY、DY，另一边支座只约束DZ；两个中柱墩中支点采用单支座支承，只约束DZ。通过弹性连接中的刚性连接来模拟箱梁顶部和支座节点的连接。移动荷载考虑公路-I级荷载。

2 计算结果分析

2.1 自重荷载工况下

对中支点的支座进行偏心设置，其在自重荷载下的支座反力、弯矩、扭矩分别如图4～图6。

图4 各支座的支反力

图5 主梁弯矩

图6 各墩顶扭矩

由图4可得，在自重荷载下随着偏心距的增大，梁端内侧支座反力逐渐增大，外侧支座反力逐步减小；当偏心距为0.5m时，梁端内侧支座反力相对于较小值增大幅度约99 %，梁端外侧支座反力相对于较小值减小的幅度约72 %，变化的幅度比较大；在偏心距为0.3m时内外侧支座的支座反力接近平衡。随着偏心距的继续增大，表现出外侧支座反力小于内侧支座反力。而中间独柱墩的支座反力在偏心距的变化下则没有明显变化。

由图5可得，在自重荷载下随着偏心距的增大，各个位置弯矩的变化幅度不大，跨中的弯矩略有增加，墩顶的弯矩则略微减小；偏心距达到0.5m时，相对于较小值，跨中弯矩增加了约4 %，墩顶弯矩减小了约8 %。

由图6可得，在自重荷载下随着偏心距的增大，梁端扭矩会逐步减小，而中支点扭矩会逐步增大，在偏心距为0.1m时，该工况下的梁端和中支点扭矩会相对平衡，而后随着偏心距的增大，表现出梁端扭矩小于中支点扭矩。

2.2 移动荷载工况下

在对中支点的支座进行偏心设置，其在移动荷载下的支座反力、弯矩、扭矩分别如图7～图9。

图7 支座反力

由图7可得，在移动荷载下随着偏心距的增大，梁端内侧支座反力逐渐增大，外侧支座反力逐步减小；偏心距为0.5m时，其内侧支座反力相对于较小值增大了约10 %，外侧支座反力相对于较小值减小了约7 %。而中支点的反力没有发生明显的变化。

由图8可得，在移动荷载下，随着偏心距的增大，跨中的弯矩略有增加，墩顶的弯矩会略微减小。偏心距达到0.5m时，跨中弯矩相对于较小值仅增加了约1 %，墩顶弯矩相对于较小值减小了约3 %。

由图9可得，在移动荷载下，随着偏心距的增大，各支点墩顶处的扭矩均略有变小。相对于较小值，减小的幅度最大可达约12 %。

2.3 组合荷载工况下

在对中支点的支座进行偏心设置，其在移动荷载和自重荷载下的组合荷载作用下的支座反力、弯矩、扭矩分别如图10～图12。

图10 支座反力

图11 主梁弯矩

图12 各墩顶扭矩

由图10可得，在组合荷载工况下，随着偏心距的增大，梁端内侧支座反力逐渐增大，外侧支座反力逐步减小，而中支点的反力却没有发生明显的变化。在偏心距为0.4m时，梁端内外侧支座反力大致相等，而在偏心距大于0.3m时梁端内侧支座反力逐步大于外侧支座反力。

由图11可得，在组合荷载工况下，随着偏心距的增大，各跨跨中的弯矩会增加，而墩顶的弯矩会减小，但弯矩的变化幅度相对不大。

由图12可得，在组合荷载工况下，随着偏心距的增大，梁端扭矩显著减小，中支点扭矩显著增大，到偏心距接近0.4m时两者的扭矩基本相等，而后梁端扭矩则开始小于中支点扭矩。

3 结论

本文针对桥跨布置为3×30m，半径为80m的小半径连续弯梁桥，采用MidasCivil2015建立分析模型，分别在自重荷载下、车辆荷载下以及组合荷载工况下对桥梁中墩支座设置预偏心对其受力性能的影响。得到了如下结论：

(1)自重荷载下：随着偏心距的增大，对支座内外侧支反力以及扭矩的影响较大，对中支点支反力和弯矩影响较小。在本文的研究条件下，梁端外侧支反力降幅可达到约42 %，而内侧支反力升幅可达约99 %。而梁端扭矩下降的幅度约173 %，中支点扭矩升幅达到249 %左右。

(2)移动荷载下：随着偏心距的增大，对支反力、弯矩、扭矩的影响均不大。

(3)在组合荷载工况下，随着偏心距的增大，对内外侧支反力、扭矩的影响较大，而对弯矩影响则相对较小。在本文的研究条件下，梁端外侧支反力降幅可达到约26 %，而内侧支反力升幅约53 %。而梁端扭矩下降的幅度约46 %，中支点扭矩升幅达到95 %左右。

(4)本文所设条件下，以组合荷载工况综合考虑梁端内外侧支反力和扭矩分布为参考，建议预偏心值为0.4～0.5m。

总体上看，中墩向曲线外侧设置预偏心对组合荷载工况下受力性能有明显改善，今后设计师可根据具体工程参照本文具体分析，从而对所设计弯梁桥设置一个合理的预偏心值。