异型曲线梁桥支座布置优化研究

刘耀东，谭业伟

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068）

0 引言

目前国内互通式立交桥宽度不断增加，各种弯、坡、斜桥甚至是异型桥梁也不断出现，异型箱梁桥在荷载的作用下产生弯、剪、扭的耦合作用，结构空间荷载效应明显，支座各向反力与一般箱梁桥有很大区别［1］。针对异型桥梁设计中各支点处支座横向间距的研究目前还有很大不足，异型桥支座布置时依靠的主要是一般箱梁桥的设计经验，难以确定最优的各支点处支座的横向间距。以邵阳范家山立交工程中的一联预应力混凝土异型曲线箱梁桥为工程背景，分析了桥梁支座横向间距的不同对于支座反力和梁体内力的影响，选择最佳的支座横向间距，以有利于整体受力。

1 工程概况

邵阳范家山立交工程中右幅桥第八联箱梁桥的跨径为3×30 m，该联桥为异型变宽曲线桥，变宽前为单箱双室梁截面，桥宽12.8 m，三车道；变宽后为单箱三室梁截面，桥宽逐渐变化至21.6 m，四车道。曲线梁桥曲线半径为400 m，全部箱梁高2.4 m，悬臂长2 m。未变宽部分各支点处支座横向间距为4 m，变宽处支点横向间距为8 m，桥梁平面图及支座约束布置如图1所示。

2 研究方法

本文主要分析支座间距调整对于支座反力及内力的影响，采用Midas FEA有限元分析软件建立实体单元模型进行计算，各支座的模拟采用刚性连接，将实际支座面积内的各节点连接在一起，并对刚性连接主节点施加约束。

根据支座间距不同分为12种工况［2-3］，对比分析方案如下：（1）调整变宽部分支点支座横向间距，分别为4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，其他支座间距为原设计方案间距；（2）调整未变宽部分支点支座横向间距，分别为1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m，其他支座间距为原设计方案间距。根据以上支座的横向间距分别建立有限元模型1至12，篇幅所限模型1至12不一一列出。全桥划分为22 814个单元，7 186个节点，截面尺寸及混凝土、预应力钢束的材料属性均按原设计取用。

荷载考虑如下：（1）恒载：自重+二期恒载；（2）预应力荷载：本文不考虑预应力张拉顺序对异型桥的受力影响，按照一次施加全部预应力的方式考虑预应力荷载。

图1 异型曲线箱梁桥平面及支座布置

为准确分析支座横向间距的变化对梁体内力的影响，在每个模型上选取7个截面，分别为4个支点处所在截面和每跨跨中截面，并在每个截面上取8个测点，如图2（a）所示；3#端支点处截面由于截面宽度较大，取12个测点，顶底板分别多取2个测点，如图2（b）所示。

3 支座横向间距调整效应分析

3.1 变宽部分支座横向间距调整模型的受力分析

3#端支座横向间距调整后，各支点处支座竖向反力差值如图3所示，从图中可以看出0#、1#端支点处支座反力差值基本没有变化，而3#端支点处支座反力差值的变化幅度在间距为9 m前要大于2#支点处支座反力差值的变化幅度，之后则相反，因此当3#端支点处支座横向间距为9 m时，各个支座的支座反力分布较为均匀。

图2 截面测点位置

图3 模型1-6各支点处支座反力差值

表1显示的是模型1-6各支座顺桥向和横桥向反力值，从计算结果中可以看出当3#端支点处支座横向间距为6 m时水平支座反力最小，间距为4～10 m时各支座水平反力差距不大，超过10 m后水平反力快速增加。从支座反力角度来看，当3#端支座横向间距为9 m时，各支座竖向和水平反力值都较为适宜，为最佳横向间距。

图4为模型1-6在荷载作用下最大拉压应力值，从图中可以看出随着横向间距的增大，最大拉压应力值基本没有变化。在模型1-6各截面测点的应力值的分析结果中可以发现除了3#端支点处截面的应力值有所变化外，其他截面各测点的应力值基本不随模型的改变发生变化，故只附3#端支点处截面各测点应力变化图，如图5所示。

从图5中可以看出3#端支点处支座横向间距的变化对支座附近梁体的内力还是有影响的，对梁体顶板的影响主要集中在顶板中轴附近，并且间距越大，压应力越大；对底板的影响则由支座位置决定，越靠近支座附近梁体的应力值越大，离支座越远，应力值越小，各底板测点最大压应力值相差不大。综合来看，3#端支座横向间距过大会导致支座附近结构顶板压应力值增大，对底板的影响只是确定应力最大值的位置，而不影响其数值。结合支座反力和3#端支点处截面应力图可以看出当横向间距为9 m时反力分布较为均匀，应力值较为适宜。

表1 1-6号模型在荷载作用下顺桥向/横桥以座反力 （单位：kN）

图4 模型1-6最大拉压应力值

图5 3#端支座截面各测点压应力值

3.2 未变宽部分支座横向间距调整模型的受力分析

对模型7-12进行有限元计算后，得到各支点处支座竖向反力差值，如图6所示。从图中可以看出当横向间距为6 m时，各支点支座竖向反力差值最小，反力分布最为均匀，最大竖向支座反力值最小；而当横向间距为5 m时，各支点竖向反力差值与间距为6 m时相差不大，尤其是2#端支点处支座竖向反力差值基本相同，最大竖向支座反力位于2#端支点处，因此横向间距为5 m和6 m时，支座反力分布得较为均匀。

图6 模型7-12各支点处支座竖向反力差值

如表2所示，当横向间距为5 m时，顺桥向支座反力最小，当横向间距为6 m时，横桥向支座反力最小；横桥向反力在间距为5 m和6 m时相差不大，顺桥向反力则差距很大。因此综合支座各向支座反力来看，当0#，1#，2#端支点支座横向间距为5 m时，反力分布较为均匀，水平反力相对最小。

图7为模型7-12在荷载作用下最大拉压应力值，从图中可以看出最大拉应力基本不变化，而最大压应力值在间距较短时会增大，因此支座横向间距不宜过短，这样会造成支座附近出现应力集中现象。

根据模型7-12各截面测点压应力值可以看出各截面及3#端支点处截面的压应力值变化不大，图8—10为各端支点处截面的压应力值变化图。从图中可以看出各支点处截面顶底板测点应力值变化趋势与模型1-6中3#端支点处截面侧点应力值变化趋势一致，支座横向间距的增加会导致顶板中线处压应力值增加，底板各测点应力值则与支座位置有关。综合支座反力及截面应力变化来看，0#、1#、2#端支点处支座横向间距取5m时最佳。

表1 7-12号模型在荷载作用下顺桥向/横桥向支座反力 （单位：kN）

图7 模型7-12最大拉压应力值

图8 0#端支点处截面各测点压应力值

图9 1#端支点处截面各测点压应力值

图10 2#端支点处截面各测点压应力值

4 结语

（1）适当增大支座横向间距可以有效改善内外侧支座的竖向反力分布及水平反力的大小，该异型箱梁桥变宽端支座的最佳横向间距为9 m，其他支座的最佳横向间距为5 m。

（2）支座横向间距的调整主要改善内外侧支座竖向反力的分配，增加桥梁承载上限，减小水平反力，但不会降低总的支座竖向反力。

（3）对于宽度较大的截面，支座横向间距取略大于底板宽度的1/2较为合理；对宽度较小的截面，支座横向间距取大于底板宽度的3/4较为合理。

（4）对支座横向间距的调整对桥梁整体内力的影响很小，主要体现在支座附近梁体结构的内力分布，横向间距的增加会导致梁体结构顶板中线附近结构应力增大，并影响底板应力集中的位置。

总之，对于异型预应力混凝土曲线箱梁桥，在不明显改变梁体内力的情况下，可以通过调整支座横向间距来改善各支点处内外侧支座的竖向反力分布，避免桥梁在使用过程中发生因支座受力不均而引起的相关病害。