斜交梁橋空間模型支座反力參數(shù)化研究

翟鵬飛

（山西省公路局 長治分局，山西 長治 046000）

0 引言

在山西省高速公路建設(shè)中，特別是在山區(qū)，橋梁工程所占比例較大，由于橋梁所處位置的地理?xiàng)l件、既有工程線路（如道路，鐵路等）、公路線型要求等限制條件，部分橋梁有必要設(shè)計(jì)成斜交型式。斜交角度的大小大多數(shù)情況下取決于所跨既有線路與新建線路之間的交角。斜交橋有改善線路的優(yōu)點(diǎn)，但由于存在斜交角，其所表現(xiàn)出來的力學(xué)行為特點(diǎn)也與正交橋有所不同。斜交橋在豎向荷載作用下彎曲時(shí)會伴隨扭矩產(chǎn)生，而扭矩的產(chǎn)生又會反過來產(chǎn)生彎曲效應(yīng)。同曲線橋一樣，斜交橋梁在力學(xué)上也具有“彎扭耦合”效應(yīng)，故其受力特點(diǎn)較直線橋復(fù)雜[1-2]。

本文對跨徑為（22+2×30+22）m的斜交梁橋采用空間實(shí)體單元建立模型并進(jìn)行了參數(shù)化分析，一是研究支座布置間距對斜交橋梁支座反力的影響規(guī)律，并通過其規(guī)律來對斜交橋梁的支座間距得出合理的布置間距；二是在某特定支座間距布置下，通過變化斜交角度來研究斜交角對斜交橋梁支座反力的影響規(guī)律。

1 工程概況及有限元模型建立

本斜交梁橋跨徑布置為（22+2×30+22）m，橋?qū)?2.0 m，單箱雙室，斜交角θ=45°，主梁斷面見圖1。主要材料參數(shù)：主梁混凝土 C50，混凝土容重γ=26kN/m3；橋面鋪裝為10cm的C50防水混凝土+10 cm瀝青混凝土，其中瀝青混凝土的容重γ=24 kN/m3；防撞護(hù)欄（單側(cè)）為10.5 kN/m。

圖1 主梁截面尺寸（單位：cm）

本文采用大型有限元軟件ANSYS中提供的SOLID65空間實(shí)體單元來建立該斜交橋梁有限元分析模型。有限元分析模型見圖2，支座約束條件及支座編號見圖3。

圖2 斜交橋梁實(shí)體空間有限元模型圖

圖3 支座約束條件及支座編號示意圖

2 斜交橋梁支座布置間距對支座反力的影響規(guī)律

在模型中分別設(shè)置支座間距d=4 m、d=5 m、d=6 m、d=7 m，斜交角θ=45°，在各個(gè)支座間距條件下，分析自重作用（一期+二期恒載）工況下斜交梁橋支座反力分布情況，支座豎向反力結(jié)果見圖4。

圖4 恒載工況下支座反力分布圖

從圖4中可以看出，對于四跨連續(xù)斜交梁橋，在各種支座間距布置條件下，支座反力分布規(guī)律為1、4號墩左側(cè)支座反力小于右側(cè)，而2、5號墩左側(cè)支座反力則是大于右側(cè)，3號墩左、右側(cè)支座反力相等。此外，在跨徑布置一定條件下，隨著支座間距d的增大，1、2號墩左側(cè)支座反力減小，右側(cè)支座反力逐漸增大；3號墩左、右側(cè)支座反力基本不變，而4、5號墩則是左側(cè)支座反力增大，右側(cè)支座反力減小。

同樣在上述4種支座間距條件下，分析自重+車道偏載工況下斜交梁橋支座反力分布情況。由于該橋橫橋向最大可以布置3個(gè)車道荷載，其中的兩車道偏載屬于最不利情況，故選取恒載+兩車道偏載作用為分析工況，該兩個(gè)車道根據(jù)規(guī)范布置在斜交橋梁中心線右側(cè)。在各支座間距布置條件下斜交橋梁支座反力結(jié)果見圖5。

圖5 自重+車道偏載工況下支座反力分布圖

從圖5中可以看出，對于四跨連續(xù)斜交梁橋，該工況下各個(gè)支座間距布置下支座反力分布規(guī)律為1、2、3、4號墩左側(cè)支座反力小于右側(cè)，5號墩支座反力分布規(guī)律較復(fù)雜。隨著支座間距d的增大，1號墩左側(cè)支座反力減小，右側(cè)支座反力增大；2號墩左、右側(cè)支座反力基本沒有變化，而3、4、5號墩則是左側(cè)支座反力增大，右側(cè)逐漸減小。

綜合這兩種工況下支座反力分布規(guī)律來看，恒載工況下主要是1、5號墩左、右側(cè)支座反力差別較大，而在恒載+兩車道偏載作用下主要是4號墩左、右側(cè)支座反力差別最大，其次是1、2、3號墩。此外，在相同支座間距布置條件下，車道偏載作用會使得斜交橋梁同一支墩左、右側(cè)支座反力差距變得更大。

3 斜交橋梁斜交角度對支座反力的影響規(guī)律

在模型中分別設(shè)置斜交角θ=0°（即正交橋）、θ=15°、θ=30°以及 θ=45°，支座間距 d=6 m，分析各種斜交角度下斜交橋梁支座反力在恒載工況下的分布規(guī)律。在支座間距一定條件下，各斜交角度下支座反力的分析結(jié)果見圖6。

圖6 自重工況下支座反力分布圖

從圖6中可以看出，該恒載工況下，當(dāng)在θ=0°～45°范圍內(nèi)時(shí)，隨著斜交角θ的增大，1號墩左側(cè)支座反力減小，右側(cè)支座反力增大；而5號墩則是左側(cè)支座反力增大，右側(cè)支座反力減??；其余各墩左、右側(cè)支座反力相等?？梢娫谥本€橋的情形下，各支座左右側(cè)支座反力均相等，但隨著斜交角θ的增大，斜交橋“彎扭耦合”效應(yīng)越來越明顯，在邊跨梁端所造成的扭矩也越大，最終表現(xiàn)為銳角處支座反力逐漸小于鈍角處支座反力的分布規(guī)律。

同樣在上述5種斜交角度下，分析自重+車道偏載作用下斜交橋梁支座反力分布規(guī)律，仍選取恒載+兩車道偏載作用為分析工況。在各種斜交角度下斜交橋梁支座反力分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 自重+車道偏載作用下支座反力分布圖

從圖7中可以看出，該工況下，當(dāng)在θ=0°～45°范圍內(nèi)時(shí)，隨著斜交角θ的增大，1號墩左側(cè)支座反力減小，右側(cè)支座反力增大；而5號墩變化規(guī)律與1號墩正好相反，其余各墩支座反力沒有變化。

綜合這兩種工況下的支座反力隨斜交角的變化規(guī)律看，斜交橋梁斜交角的變化只會引起邊墩支座反力發(fā)生變化，且該兩種工況下邊墩支座反力變化規(guī)律一致，而對中間支墩的支座反力沒有影響。此外在相同斜交角度條件下，車道偏載作用使得各支墩左、右側(cè)支座反力差距變大。

4 結(jié)語

a）對于四跨連續(xù)斜交梁橋，在恒載工況下，支座間距參數(shù)變化只對邊支墩和次邊墩支座反力分布有影響，而對中支墩支座反力無影響；但是如果考慮恒載+車道偏載作用后，支座間距參數(shù)變化對中支墩支座反力也會有影響。

b）同樣對于四跨連續(xù)斜交梁橋，在恒載以及恒載+車道偏載兩種工況下，斜交角參數(shù)變化均只對邊支墩支座反力有影響，而對其余支墩支座反力無影響。

c）在斜交角度較大，且支座間距也較大時(shí)，此時(shí)支座反力分布最不均勻，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮車道偏載作用的不利影響，甚至有必要考慮超載偏載車道對邊支墩支座反力分布的不利影響。