郭秋雨

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着交通运输的快速发展，为满足一些特定的交通运输规划功能或线形需求，曲线桥梁成为首选，且日渐作为交通路线上重要的组成部分。曲线桥梁能够很好地适应地形、地物的特定限制，并且由于其结构线条平顺、流畅，在地区美学和文化等方面能给人带来更优质的享受[1-2]。近些年来，我国关于曲线桥梁的大范围修建，说明了我国曲线桥梁在研究、设计和施工等方面均达到了一定高度。

曲线梁桥由于具备弯扭耦合、梁内侧和梁外侧受力不均匀等复杂受力特征，其支座反力有外侧大、内侧小的倾向，在内梁中有产生拉力的可能，其受力特点与直线桥有很大区别[3-4]。而初期设计者所采用的设计计算理论并没有考虑这些受力特性，一般都选用同等跨径的直线梁桥进行近似计算，并根据个人经验予以修正，如果在设计时候忽略这些关键因素不采取相应措施，就会导致曲线梁桥出现爬移问题[5]。焦驰宇等[6]采用Midas civil软件以某城市曲线梁桥为背景，对其受力特点及变形特征进行分析，对桥梁出现的爬移病害进行分析评估。研究得出，混凝土收缩徐变、车辆荷载，温度等作用均会使曲线桥产生爬移现象，其中离心力是引起曲线桥爬移的主要原因。孙继刚[7]对吉林省某高速公路S型曲线梁桥用Midas Civil分析不同线形和支承形式下曲线梁桥的平面变形影响因素。研究得出，均匀温度作用、梯度温度作用都会对曲线梁桥的径向位移产生影响，且曲率半径越小，影响越大。

国内外对曲线桥梁横向爬移的研究主要集中于自身荷载作用和外界荷载作用，而下部结构的布置形式对曲线桥梁横向爬移影响研究相对较少。本文拟通过研究不同下部结构形式对曲线桥梁横向爬移和内力增量的影响，综合考虑经济效益，得出对横向爬移问题最为友好的下部结构形式。

1 曲线桥梁有限元模型

1.1 模型概况

利用有限元模拟分析软件Midas Civil建立模型，以边界条件的变化模拟不同下部结构型式。由于曲率半径较大的曲线梁桥在各种因素的作用下横向爬移不够明显[8]，本文主要对较小曲率半径曲线桥梁进行建模。通过有限元软件Midas Civil，建立曲率半径为75 m 的连续单箱单室箱梁弯桥模型，全桥设置4跨，每跨20 m，从左到右墩台编号分别为0号桥台、1号桥墩、2号桥墩、3号桥墩、4号桥台。建立模型的时候选用梁单元模型，将全桥分为90个梁单元，具体情况如图1所示。

图1 箱梁横截面(单位：mm)

1.2 下部结构布置

主要考虑自重、系统升温、梯度升温、离心力、车辆荷载、支座沉降这6种荷载工况对曲线桥梁模型的影响，并依据交通部颁布的相关规范[9]和桥梁工程相关著作[10]来进行取值。初拟定弯桥模型下部结构有3种形式，具体模型如表1所示。

2 结果与分析

2.1 自重作用对曲线桥梁横向爬移的影响

不同下部结构的曲线桥梁各节点在自重作用下横向位移变化情况如图2所示，最大内力如表2所示。从图2可以看出，弯桥下部结构采用单柱墩时，自重作用下梁体整体横向爬移最大；下部结构采用双柱墩和单/双柱墩交替布置时，横向爬移相比布置单柱墩时有所减小，并且2种布置情况下梁体整体横向爬移相差不大。从表2中看出，3种布置情况下梁体竖向剪力、平弯弯矩相差不大，变化情况不明显；相比于单柱墩，采用单/双柱墩交替布置时，弯桥扭矩降低了44%，竖向弯矩降低了20%。

图2 自重作用下的横向位移

表2 自重作用下的最大内力绝对值

2.2 支座沉降对曲线桥梁横向爬移的影响

不同下部结构的曲线桥梁各节点在支座沉降作用下横向位移变化情况如图3所示，最大内力如表3所示。从图3可以看出，弯桥下部结构采用单柱墩时，在支座沉降作用下梁体整体横向爬移最大；下部结构采用双/单双柱墩交替布置时，横向爬移明显减小，并且2种布置情况下梁体整体横向爬移相差不大。从表3中看出，相比于单柱墩，下部结构采用单/双柱墩交替布置时，梁体扭矩降低了35%，平弯弯矩降低了33%。

图3 支座沉降作用下的横向位移

表3 支座沉降作用下的最大内力绝对值

2.3 温度作用对曲线桥梁横向爬移的影响

不同下部结构的曲线桥梁各节点在温度作用下横向位移变化情况如图4所示，最大内力如表4所示。从图4中看出，弯桥下部结构采用单柱墩布置时，在温度作用下梁体整体横向爬移最大，下部结构采用双柱墩或单/双柱墩交替布置时，横向爬移明显减小，且单/双墩交替布置的梁体整体横向位移变化较稳定，双柱墩布置的梁体横向偏移量关于中间墩对称变化。从表4中可以看出，在系统温升作用下，下部结构采用单/双柱墩交替布置时，梁体竖向剪力、平弯弯矩、竖向弯矩都有所增大，扭矩有所减小；而在梯度温升作用下，下部结构采用单/双交替或双柱墩时，竖向剪力、平弯弯矩、扭矩、竖向弯矩内力值均有所减小；相比于单柱墩，采用双柱墩布置时，扭矩甚至降低了50%。

图4 温度作用下的横向位移

表4 温度作用下的最大内力绝对值

2.4 离心力作用对曲线桥梁横向爬移的影响

不同下部结构的曲线桥梁各节点在离心力作用下横向位移变化情况如图5所示，最大内力如表5所示。从图5中看出，弯桥下部结构采用单柱墩时，在离心力作用下梁体整体横向爬移最大；下部结构采用双柱墩或单/双柱墩交替布置时，横向爬移相比单柱墩明显减小。下部结构采用双柱墩布置时，整体横向位移变化较稳定；采用单/双柱墩交替布置时，梁体横向位移关于中间墩呈对称变化。从表5中看出，下部结构采用单/双柱墩交替或全桥采用双柱墩布置时，竖向剪力、平弯弯矩、扭矩、竖向弯矩内力值都有所减小。相比于单柱墩，采用单/双交替布置时，竖向剪力和扭矩均降低了51%，平弯弯矩降低了59%，竖向弯矩降低了22%。

图5 离心力作用下的横向位移

表5 离心力作用下的最大内力绝对值

2.5 车辆荷载对曲线桥梁横向爬移的影响

不同下部结构的曲线桥梁各节点在车辆荷载作用下横向位移变化情况如图6所示，最大内力如表6所示。从图6中看出，弯桥下部结构采用单柱墩布置时，梁体整体横向爬移最大；下部结构采用双柱墩或单/双柱墩交替布置时，梁体横向爬移明显减小。从表6中看出，下部结构采用单/双柱墩交替布置时，竖向剪力、平弯弯矩、扭矩、竖向弯矩内力值均有所减小。

图6 车辆荷载作用下的横向位移

表6 车辆荷载作用下的最大内力绝对值

3 结论

本文采用有限元软件分析了曲线梁桥在不同下部结构下(单柱墩、双柱墩以及单/双柱墩交替)和不同作用下(自重、温度、离心力、车辆荷载、支座沉降)的横向偏移和内力变化情况，得出结论：

(1)曲线桥梁下部结构采用单柱墩布置时，在自重、系统升温、梯度升温、车辆荷载、离心力、支座沉降作用下梁体各节点横向位移最大。

(2)曲线桥梁下部结构采用双柱墩支承时，在各个荷载因素作用下曲线梁桥整体横向位移最小。

(3)曲线桥梁下部结构采用单/双柱墩交替布置时，在各个荷载因素作用下梁体整体横向位移与全桥采用双柱墩布置时相差不大。

(4)下部结构采用单/双柱墩交替布置时，在支座沉降作用下横向爬移最大。

综上所述：综合考虑横向爬移、内力增量及经济效益等方面，建议在实际工程中采用单/双柱墩交替布置的下部结构形式，以防止偏移的发生，另外在此类形式运用过程中应注意支座沉降问题的发生和处理。