小半徑彎橋支座橫向力的影響因素分析

王 靜

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 概述

隨著我國城市建設(shè)和高速公路的快速發(fā)展，立體交叉大量出現(xiàn)，小半徑彎橋得到大范圍的應(yīng)用。但在實(shí)際所建成的曲線梁橋中，支座被剪斷、爬移等工程事故多次出現(xiàn)。溫度引起的向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢也十分明顯[1-2]。然而，在以往的研究中，人們往往重視彎橋中支座的布置方式對橋梁主梁受力的趨勢和利弊的研究，而就支座的布置方式對支座本身受力的影響研究較少。

2 曲線梁橋受力特性

直梁結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)變形，根據(jù)外荷載的作用方式較容易確定，如溫度荷載作用下，結(jié)構(gòu)沿橫向和縱向兩個(gè)方向的變形可分別計(jì)算，無需疊加；曲梁結(jié)構(gòu)的平面變形則不同，由于彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合變形原因，結(jié)構(gòu)沿橫向（ΔV）和縱向（ΔU）兩方向的變形不可分別計(jì)算，如圖1所示。不僅溫度作用如此，其收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、制動(dòng)力、離心力、地震力等作用亦是如此[3]。

圖1 曲梁平面變形

雖然曲梁平面變形較為復(fù)雜，但根據(jù)荷載作用力的方向可以大致判別平面變形情況。對于溫度作用，曲梁弧段膨脹或縮短此時(shí)弧段的半徑變化而圓心角不變，即半徑r0→r，而圓心角φ0=φ；對于預(yù)應(yīng)力作用，曲梁弧段的變形與預(yù)應(yīng)力布置有關(guān)，一般講弧段的半徑和圓心角都在變，即半徑r0→r，φ0→φ；對于收縮徐變作用，曲梁弧段的變形與溫度、預(yù)應(yīng)力作用有關(guān)，一般講弧段的半徑和圓心角都在變化，即半徑 r0→r，φ0→φ；對于制動(dòng)力、風(fēng)力、地震力作用，曲梁弧段的變形與這些力的作用點(diǎn)和方向有關(guān)，一般講弧段的半徑和圓心角都在變化，即半徑r0→r，φ0→φ.

在各種作用中，溫度對支座橫向受力的影響尤為突出[4-5]。支座橫向受力和橋梁平面半徑、溫度有密切的關(guān)系。此研究，對實(shí)踐中彎橋布置橋梁支座具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3 工程實(shí)例分析對比

為比較溫度、圓曲線半徑和支座橫向力的關(guān)系，現(xiàn)以4×20 m連續(xù)現(xiàn)澆箱梁為例，進(jìn)行對比計(jì)算分析。箱梁頂寬8.5 m，箱梁高度1.4 m，懸臂長度2 m，平面位于半徑分別為50 m、60 m、70 m的圓曲線上。下面分別建立不同的有限元模型，施加不同溫度下相同的荷載[6]，比較溫度作用力下支座的受力情況。

圖2 支座布置圖

箱梁支座具體布置如下：

a）0號墩1號支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；0號墩2號支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

b）1號墩1號支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；1號墩2號支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

c）2號墩1號支座采用固定支座；2號墩2號支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)闄M向。

d）3號墩1號支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；3號墩2號支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

e）4號墩1號支座采用單向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向；4號墩2號支座采用雙向滑動(dòng)支座，滑動(dòng)方向?yàn)榭v向、橫向。

3.1 有限元模型的建立

本次計(jì)算利用空間有限元程序MIDAS CIVIL建立模型，全橋采用梁單元建立，主梁和支座節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，支座采用彈性連接模擬，如圖3。模型建立好以后，分別調(diào)整支座彈性連接的角度，以模擬支座滑動(dòng)方向的調(diào)整，如圖4。

圖3 有限元模型圖

圖4 有限元模型支座布置

3.2 溫度、圓曲線半徑和支座橫向力的關(guān)系

為研究溫度、圓曲線半徑和支座橫向力的關(guān)系，本次建立3個(gè)有限元模型，分別為 50 m、60 m、70 m半徑，施加整體升溫荷載，以比較分析溫度、圓曲線半徑對支座橫向力大小的影響。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如表 1、表 2。

表1 0號墩1號支座不同半徑、不同溫度下支座橫向力 kN

圖5 0號墩1號支座溫度和支座橫向力的關(guān)系

圖6 1號墩1號支座溫度和支座橫向力的關(guān)系

由表1、表2和圖5、圖6可以看出，溫度產(chǎn)生的支座橫向力與溫度升高成正比關(guān)系，即在同一圓曲線半徑下，隨著溫度的升高，支座受到的橫向水平力越大。

圖7 0號墩1號支座橫向力和橋梁圓曲線半徑的關(guān)系

圖8 1號墩1號支座橫向力和橋梁圓曲線半徑的關(guān)系

由表1、表2和圖7、圖8可以看出，溫度產(chǎn)生的支座橫向力與橋梁的圓曲線半徑成反比關(guān)系，即在同一溫度荷載下，隨著橋梁圓曲線半徑的增大，支座受到的橫向水平力減小。

表3 50 m半徑支座約束方向受到的溫度作用力 kN

表4 60 m半徑支座約束方向受到的溫度作用力 kN

表5 70 m半徑支座約束方向受到的溫度作用力 kN

圖9 50 m半徑各支座橫向力

由表3～表5和圖9～圖11可以看出，離固定支座越近的支座，受到的橫向力越大。

圖10 60 m半徑各支座橫向力

圖11 70 m半徑各支座橫向力

4 結(jié)論

由計(jì)算分析可知，支座受到的橫向力的大小對溫度和橋梁圓曲線半徑十分敏感。通過比較分析，可以得出如下結(jié)論：

a）溫度產(chǎn)生的支座橫向力的大小與溫度高低成正比關(guān)系。

b）溫度產(chǎn)生的支座橫向力的大小與橋梁的圓曲線半徑的大小成反比關(guān)系。

c）在同一溫度荷載下，同一圓曲線半徑條件下，離固定支座越近的支座，受到的橫向力越大。

d）在今后的設(shè)計(jì)和施工中，小半徑彎橋的支座設(shè)置方式需引起極高重視，否則將直接影響到橋梁的使用安全。

e）本文僅研究在橋梁中間布置固定支座，兩邊對稱布置滑動(dòng)支座情況下，支座橫向力和溫度及圓曲線半徑的關(guān)系，而未研究不對稱布置滑動(dòng)支座的情況，需在以后的工作中繼續(xù)深入。