彎箱梁橋支座反力影響因素分析

林 峰，陳娟婷

（東南大學建筑設計研究院有限公司，南京 210096）

近年來，我國修建了大量城市立交。為了滿足路線設計要求并充分利用空間，小半徑連續彎箱梁橋被廣泛應用于互通匝道橋中，但彎箱梁橋傾覆卻屢見不鮮。2009年7月15日，津晉高速公路天津塘沽收費站東側800 m處匝道橋發生坍塌事故；2011年2月21日浙江上虞市春暉互通匝道發生側傾事故；2015年，廣東粵贛高速公路河源段匝道橋在超重車作用下發生傾覆事故[1]。因此，對彎箱梁橋的傾覆原因進行分析顯得尤為重要。

1 彎箱梁橋結構特點

由于曲率的存在，彎箱梁橋的受力情況與直線橋梁不同，主要有以下特征[2]：

（1）由于主梁的“彎扭”耦合效應，會出現內外側梁受力不均的情況。

（2）當橫梁處設置抗扭支座的時候，由于扭矩的存在，一般外側支座反力大于內側支座，嚴重時會出現內側支座脫空現象，造成箱梁傾覆。

（3）由于彎扭作用，主梁外側豎向撓度大于內側，在溫度等作用下，易出現向曲線外側“爬移”的現象。

針對近年來出現的彎橋傾覆事件，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2016）中規定了彎橋抗傾覆安全系數的計算方式如下[3-4]：

但是，在實際設計工作中，常用的還是通過計算調整，防止支座出現負反力（拉力）的辦法來滿足彎橋的抗傾覆要求。

2 支座反力影響因素分析

2.1 工程概況

某連續箱梁采用C50混凝土，跨徑布置為3×28 m，梁高1.8 m，箱梁寬度10.1 m，箱梁中心線平曲線半徑R=80 m，中橫梁厚2 m，端橫梁厚1.5 m，橫梁支座均采用雙支座，并向曲線外側設置30 cm偏心，支座位置處斷面如圖1所示，箱梁縱向預應力鋼束布置如圖2所示。

圖1 箱梁斷面圖（單位：cm）

2.2 有限元模型的建立

使用有限元軟件Midas Civil建立空間梁單元模型，縱向定義為X方向，橫向定義為Y方向，豎向定義為Z方向，如圖3所示。

圖2 箱梁預應力鋼束布置圖（單位：cm）

圖3 箱梁有限元模型

結構所承受的荷載分為以下幾類：

（1）恒荷載：箱梁自重+橋面鋪裝+護欄+收縮徐變；

（2）鋼束預應力荷載：波紋管摩擦系數μ=0.25（金屬），管道偏差系數k=0.001 5；鋼束張拉回縮量：單端張拉取6 mm，兩端張拉取12 mm；

（3）活載：按照規范取2車道偏曲線外側加載；

（4）整體溫度變化：整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃；

（5）梯度溫度效應：升溫 T1=14 ℃，T2=5.5 ℃；降溫 T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃；

（6）支座沉降：每個支座最大沉降值取8 mm。

表1為各項荷載產生的支座反力（壓力為正，拉力為負），其中可變荷載效應取支座產生的最大拉力。

由表1可知，0～3#支座壓力儲備較小的地方均在內側支座，最不利的支座位置為2#內支座，壓力儲備僅有184.6 kN。

將表1數值進行處理，可以得到各項荷載產生的支座反力占總反力的比重i%，i=100×Sdi/∑|Sdi|，其中，Sdi為各項荷載產生的支座反力，以支座受壓為正，受拉為負，結果如圖4所示。

表1 各項荷載產生的支座反力 kN

圖4 各項荷載產生的支座反力占比

由圖4可知，恒載產生的支座反力占總反力的比值是最大的，且使支座產生壓力；預應力產生的支座反力占總反力的比值僅次于恒載，且在1#和2#內支座產生了較大拉力，這是導致中橫梁處內支座壓力富余度較小的主要原因；活載主要導致0#和3#內支座產生了較大的拉力，這是導致端橫梁處內支座壓力富余度較小的主要原因。

預應力鋼束的配束分為頂板束、腹板束和底板束，設計中通過調整這3種鋼束的線型以及數量，使得結構受力滿足規范要求。表2為分別張拉3種鋼束引起的各支座反力，表3為分別張拉3種鋼束引起的支座反力占預應力產生的總支座反力的比重。

表2 各預應力鋼束產生的支座反力 kN

由表2～3可知，底板束和腹板束是產生支座反力的主要因素，且兩者影響差不多，相比之下頂板束的影響則小很多。腹板束和底板束導致1#和2#內支座出現拉力，這主要是因為張拉鋼束之后預應力次效應的存在，端橫梁支座總體受壓，中橫梁支座總體受拉，且端橫梁支座反力對中橫梁處梁體產生向箱梁外側傾覆的扭矩，增大了中橫梁兩支座之間支座反力的差值。

表3 各預應力鋼束產生的支座反力占比 i %

本模型中底板束共計5.2 t，頂板束共計0.98 t，腹板束共計17.3 t，底板束用量約為腹板束的1/3，但是在中橫梁內支座產生的拉力卻比腹板束還要大，因此，在對彎箱梁橋進行配束時應盡量減少底板束的用量，以避免中橫梁內支座出現脫空現象。

2.3 平曲線半徑對彎箱梁支座反力的影響

彎箱梁橋中心線的平曲線半徑是影響其支座反力分配的重要因素[5]，本節改變箱梁中心線的平曲線半徑，另增R=50 m，R=110 m，R=140 m 3種工況，以0#內支座和1#內支座為研究對象，探討平曲線半徑對支座反力的影響，結果如圖5～8所示。

圖5 不同平曲線半徑下各支座總反力

圖6 0#內支座各項荷載產生的支座反力占比

圖7 1#內支座各項荷載產生的支座反力占比

圖8 不同平曲線半徑下3種鋼束的支座反力占比

圖5為改變箱梁中心線平曲線半徑時，各支座總反力的數值；圖6、圖7分別為箱梁中心線平曲線半徑變化時，0#和1#內支座處各項荷載產生的支座反力占總反力的比重；圖8為平曲線半徑變化時，3種鋼束引起的支座反力占預應力產生的總支座反力的比重。

由圖5可知，隨著平曲線半徑的增大，箱梁扭矩逐漸減小，結構呈現出外支座壓力逐漸減小，內支座壓力不斷增大的趨勢，內外支座差值越來越小，兩者受力趨于平均。

由圖6～7可知，隨著平曲線半徑的增大，恒載產生的支座反力占總反力的比重越來越大，預應力、整體溫度、梯度溫度、支座沉降所產生的支座拉力的比例越來越小，對于0#內支座，預應力甚至導致支座反力產生了壓力。但是活載所占比重對于1#內支座反而是增加的，對于0#內支座依然是減小的。

由圖8可知，隨著曲率半徑的增加，頂板束、腹板束、底板束引起的支座反力占鋼束預應力產生的總反力的比值基本維持不變。

3 結論

根據以上分析，可以得到如下結論：

（1）由于彎箱梁橋存在“彎扭”耦合效應，預應力效應使得中橫梁內支座產生拉力，活載使得端橫梁內支座產生拉力，此兩者是導致彎箱梁橋內側支座脫空的主要原因。

（2）腹板束和底板束是預應力鋼束中產生支座反力的主要因素。張拉后預應力次效應產生了支座反力，支座反力產生的扭矩使箱梁有整體向外傾覆趨勢，增加了內外側支座反力的差值。

（3）隨著曲率半徑的增大，彎箱梁橋內外支座反力的差值越來越小，恒載所占比例越來越大，除活載外的可變荷載所占比例越來越小，同時頂板束、腹板束、底板束引起的支座反力占預應力產生的總反力的比值基本維持不變。

（4）彎箱梁橋中底板束雖然用量不多，但是對箱梁支座反力有著較大的影響，因此在設計中建議增加腹板束和頂板束的配置，減少底板束的配置。

參考文獻

[1]杜惠榮，張偉國.淺析彎橋傾覆原因和改善方法[J].工程建設與設計，2017，7（3）：124-126.

[2]胡豐玲.小半徑連續彎橋設計探討[J].工程設計，2012，26（3）：366-411.

[3]姚玉強，張磊，張楊.中小跨徑連續梁橋箱梁抗傾覆計算研究[J].西南公路，2013（1）：64-67.

[4]王文龍.混凝土箱梁橋抗傾覆性能與增強措施研究[D].重慶：重慶交通大學，2015.

[5]胡豐玲.連續彎箱梁橋預應力鋼束張拉次序研究[D].南京：東南大學，2004.