简支转连续组合箱梁支承结构内力效应分析

简支转连续组合箱梁支承结构内力效应分析
赵现省;刘其伟
【摘要】Composite box girder with simply supported into continuous support is more and more widely used in long bridges and approach spans.There are two kinds of supporting forms,including single-row bearing and double-row bearing.For single-row bearing,temporary supports need to be changed into a single row of temporary supports,while for double-row bearing,two rows of temporary supports can be directly set on the location of the temporary supports.This paper compares force analysis during simply supported into continuous support construction,and analyzes different structural internal force effect for these two supporting forms under the action of dead load,live load and additional inner force.It can be taken as reference for the research,design and construction of single-row and double-row supporting structure.%简支转连续组合箱梁越来越多地应用于长桥以及大桥的引桥,该结构的支承形式包括单排支承和双排支承,单排支承需要将临时支座转换为中间1排永久支座,双排支承则直接在临时支座的位置安放2排永久支座。

文章分别对简支转连续的施工过程进行受力分析对比,得出了2种支承形式在恒载、活载以及附加内力作用下不同的结构内力效应,为单、双排支承结构的研究、设计以及施工提供了一定的参考。

【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2012(009)002
【总页数】5页(P30-33,52)
【关键词】组合箱梁;简支转连续;内力效应;单排支承;双排支承
【作者】赵现省;刘其伟
【作者单位】东南大学交通学院,江苏南京210096;东南大学交通学院,江苏南京210096
【正文语种】中文
【中图分类】U448.215
简支转连续是连续梁桥施工中较为常见的一种方法。

一般先架设预制主梁形成简支状态，再将主梁在墩顶连成整体，最终形成连续梁体系。

该施工方法的主要特点是施工简单、质量可靠，易于实现桥梁施工的工厂化、标准化和装配化［1］。

概括地讲简支转连续施工方法是采用简支梁的施工工艺，却达到建造连续梁桥的目的，从而改善行车的舒适性。

1 简支转连续梁桥结构形式及受力特点
简支转连续梁桥在墩顶由简支转为连续过程中主要有以下3种形式：
（1）主梁内的普通钢筋在墩顶连接；
（2）主梁内的纵向预应力筋在墩顶采用特殊的连接器进行连接［2］；
（3）在墩顶两侧一定范围内布设预应力短束实现连接。

在这3种方法中，第1种方法虽然简单易行，但是由于墩顶负弯矩区无压应力储备，容易在墩顶产生横向裂缝，影响桥梁的正常使用。

第2种方法效果最好，但是由于施工困难，墩顶压应力储备值容易损失掉［3］，故一般不采用。

第3种方法不仅施工简单可行，同时具有第2种方法的优点，也克服了第1种方法中使用普通钢筋在墩顶连接易出现开裂的问题。

所以一般简支转连续梁桥多采用墩顶预应
力短束与普通钢筋共同实现简支变连续的目的［4］。

简支转连续梁桥的受力根据施工过程可分为2个阶段。

第1阶段是将预制好的简支梁架设于临时支座上，此时梁体主要承受恒载自重产生的内力和先期预应力作用；第2阶段首先浇筑墩顶连续段混凝土，待混凝土达到要求的强度后张拉墩顶负弯矩短束，从而最终形成连续梁［5］。

此时的连续梁主要承受2期恒载、活载、温度、支座沉降、收缩徐变产生的内力以及墩顶负弯矩钢束的预加力、预加力的2次矩等作用。

简支转连续梁桥要比一次性现浇连续梁桥跨中弯矩大，支点负弯矩小；比普通简支梁桥跨中弯矩小。

因此，简支转连续梁桥与现浇连续梁和简支梁相比，其正负弯矩分布较为均匀，受力也较为合理。

2 单、双排支承结构效应分析
简支转连续梁桥在桥墩上按支座的布置形式可以分为单排支座和双排支座。

单排支座的简支转连续梁桥，结构受力明确，支座不易脱空［6］，但是施工复杂，需要安装拆除临时支座，且永久支座安装难度大，易造成横梁支反力不均而产生开裂；双排支座的简支转连续梁桥，施工方便，湿接缝处剪力小，同时双支座能够改善主梁的受力，使得主梁在恒载作用下跨中正弯矩、支点负弯矩均有不同程度的减小［7］。

本文选取4跨1联预应力混凝土简支转连续组合箱梁进行受力分析，其跨径为120 m（4×30 m），桥面宽度为11.5 m，箱梁梁高为1.6 m，横桥向由4片箱梁组合而成。

在跨中处箱梁顶板、底板、腹板的厚度均为18cm，支点处顶板为24 cm，底板为25 cm，腹板为28 cm。

箱梁材料采用C50混凝土，预应力钢筋采用单根直径为15.24 mm低松弛钢铰线，桥面铺装为6 cm厚C40水泥混凝土调平层和10 cm厚沥青混凝土。

其跨中典型截面如图1所示。

2.1 单、双排支承在恒载作用下受力分析
采用有限元分析软件midas-civil分别建立单、双排支座空间梁格模型，对比分析单、双排支座在恒载、活载、温差、基础沉降以及收缩徐变作用下结构的力学性能。

模型纵梁之间采用虚拟的横梁连接，横梁的自重系数设为0；单排支座模型梁单元数目为517个，节点数目为388个；双排支座模型梁单元数目为517个，节点数目为412个；模型中的支座形式为刚性支承，双排支座的支座间距为60 cm，单、双排支座模型如图2、图3所示。

恒载作用下（张拉墩顶负弯矩短束之前）跨中弯矩值和墩顶弯矩值对比见表1、表2。

表1 单、双排支座在恒载作用下（张拉墩顶负弯矩短束之前）跨中弯矩kN·m第
4跨跨中单排支座 4 635.7 4 015.6 4 015.6 4 635.7双排支座 4 260.3 3 776.4 3 776.4 4 260.3差值/比值 375.4/8.1%239.2/5.9%239.2/5.9%375.4/8.1%支座类型第1跨跨中第2跨跨中第3跨跨中
表2 单、双排支座在恒载作用下（张拉墩顶负弯矩短束之前）墩顶负弯矩kN·m
支座类型 1#墩顶 2#墩顶 3#墩顶单排支座 -1 785.3 -1 216.4 -1 785.3双排支座
-1 538.6 -1 078.7 -1 538.6差值/比值 246.7/13.8% 137.7/11.3% 246.7/13.8% 恒载作用下（张拉墩顶负弯矩短束之后）跨中弯矩值和墩顶弯矩值对比见表3、表4。

表3 单、双排支座在恒载作用下（张拉墩顶负弯矩短束之后）跨中弯矩kN·m第
4跨跨中单排支座 4 329.2 3 699.1 3 699.1 4 329.2双排支座 3 911.5 3 401.5 3 401.5 3 911.5差值/比值 417.7/9.6%297.6/8.0%297.6/8.0%417.7/9.6%支座类型第1跨跨中第2跨跨中第3跨跨中
表4 单、双排支座在恒载作用下（张拉墩顶负弯矩短束之后）墩顶负弯矩kN·m
支座类型 1#墩顶 2#墩顶 3#墩顶单排支座 -1 924.8 -1 376.9 -1 924.8双排支座
-1 636.8 -1 214.5 -1 636.8差值/比值 288/15.0% 162.4/11.8% 288/15.0%
由单、双排支座在恒载作用下跨中与墩顶的弯矩对比可以看出，不管是短束张拉之前还是张拉之后的墩顶负弯矩，双排支座结构形式都能够减小跨中正弯矩，消减墩顶负弯矩，使主梁受力向着均衡的方向发展，从而有效改善了主梁的受力状态。

墩顶负弯矩短束的张拉对单、双排支座的内力变化趋势是一致的：墩顶负弯矩短束张拉后都使单、双排支座结构形式跨中正弯矩减小、墩顶负弯矩增大。

2.2 单、双排支承在恒载+活载作用下受力分析
（1）恒载+活载作用下支反力对比见表5、表6。

表5 单、双排支座在恒载+活载作用下最大支反力 kN双排支座支座类型 1#台 1#墩 2#墩 3#墩 4#台单排支座 1 300.9 2 503.6 2 355.2 2 503.6 1300.9 1 139.4 1 326.3 1 281.3 1 280.6 1139.3 1 280.6 1 280.5 1 326.4左排右排
表6 单、双排支座在恒载+活载作用下最小支反力 kN双排支座支座类型 1#台 1#墩 2#墩 3#墩 4#台单排支座 657.7 1 519.1 1 358.4 1 519.0 657.7 632.5 790.5 728.4 730.9 632.5 731.3 710.5 791.4左排右排
从对比结果可以看出，单排支座在恒载+活载作用下桥墩台上总的支反力与双排支座相差不大，但是双排支座中每个支座的最大反力要小于单排支座的最大反力，说明双排支座结构可以选用比单排支座结构容许承载能力小的支座；双排支座结构桥墩上支反力均没有出现负值，即桥墩上支座均没有脱空。

（2）恒载+活载作用下跨中正弯矩和墩顶负弯矩对比见表7、表8。

表7 单、双排支座恒载+活载作用下跨中弯矩kN·m第4跨跨中单排支座 6 991.8 6 035.1 6 035.8 6 991.8双排支座 6 418.8 5 621.4 5 621.4 6 418.8差值/比值573/8.2% 413.7/6.8%413.7/6.8% 573/8.2%支座类型第1跨跨中第2跨跨中第3跨跨中
表8 单、双排支座恒载+活载作用下墩顶负弯矩kN·m支座类型 1#墩顶 2#墩顶
3#墩顶单排支座 -4 206.5 -3 534.4 -4 206.5双排支座 -3 787.6 -3 272.8 -3 787.6差值/比值 418.9/9.9% 261.6/7.4% 418.9/9.9%
在恒载+活载作用下，双排支座同样可以减小跨中正弯矩以及墩顶负弯矩，使主梁的受力趋于均匀、合理。

2.3 单、双排支座在恒载+活载+附加力作用下受力分析
在静定梁结构中，温度、基础沉降以及收缩徐变只引起结构的位移而不产生次内力；而在连续梁结构中，它不仅引起结构的位移，而且由于多余约束的存在，限制了结构的自由变形，从而产生了次内力。

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中关于结构竖向温度梯度曲
线的规定，采用竖向日照正温差T1=14℃，T2=5.5℃，A=300 mm；竖向日照
反温差T1=-7℃，T2=-2.75℃，A=300 mm来计算结构的温度次内力。

本文对单双支座支承结构的墩台基础均考虑竖向强迫位移最多为1 cm，取各种不同工况下的最不利组合来计算。

文中所取附加力作用为温度、基础沉降和收缩徐变同时对结构产生最不利效应时的组合，以此来分析附加力对单、双排支座的影响。

（1）恒载+活载+附加力作用下支反力对比见表9、表 10。

从对比结果可以看出，单、双排支座结构在附加力作用下支反力变化不大；桥墩上所有支座的支反力并没有出现负值，说明支座均没有脱空。

表9 单、双排支座在恒载+活载+附加力作用下最大支反力 kN双排支座支座类型
1#台 1#墩 2#墩 3#墩 4#台单排支座 1 388.6 2 730.0 2 753.9 2 731.0 1 389.6
1 331.8 1 437.6 1 526.5 1 385.4 1 331.8 1 385.3 1 476.4 1 437.5左排右排
表10 单、双排支座在恒载+活载+附加力作用下最小支反力 kN支座类型 1#台
1#墩 2#墩 3#墩 4#台单排支座 560.1 1 238.0 1 234.1 1 238.5 560.4双排支座
左排右排654.2 662.5 665.3 509.5 509.5 665.2 610.3 653.6
（2）恒载+活载+附加力作用下跨中正弯矩和墩顶负弯矩对比见表11、表12。

表11 单、双排支座恒载+活载+附加力作用下跨中弯矩kN·m第4跨跨中单排支座 8 258.6 7 939.5 7 939.5 8 258.6双排支座 7 540.9 7 328.6 7 328.6 7 540.9差值/比值 717.7/8.7%610.9/7.7%610.9/7.7%717.7/8.7%支座类型第1跨跨中第2跨跨中第3跨跨中
表12 单、双排支座恒载+活载作用下墩顶负弯矩kN·m支座类型 1#墩顶 2#墩顶3#墩顶单排支座 -5 012.5 -4 806.3 -5 012.5双排支座 -4 694.1 -4 570.4 -4 694.1差值/比值 318.4/6.4% 235.9/4.9% 318.4/6.4%
在考虑了温度、收缩徐变以及基础沉降后，单、双排支座的内力值均有不同程度的变化，单、双排支座的跨中正弯矩以及墩顶负弯矩都有所增大；单、双排支座内力值的变化趋势是一致的，说明附加力对单、双排支座2种结构形式的内力影响基本一致。

2.4 单、双排弹性支座在恒载+活载+附加力作用下受力分析
以上结论是基于刚性支座得出的，将刚性支座改为弹性支座，支座的弹性系数为1×105 kN/m，其余模型条件均不变来探讨弹性支座对支座脱空的影响。

（1）恒载+活载+附加力作用下支反力对比见表13、表14。

表13 单、双排弹性支座在恒载+活载+附加力作用下最大支反力 kN支座类型 1#台 1#墩 2#墩 3#墩 4#台单排支座 1 305.3 2 656.7 2 679.2 2 656.7 1 305.3双排支座左排右排1 396.2 1 475.1 1 357.6 1 289.5 1 289.5 1 357.6 1 432.5 1 396.3
表14 单、双排弹性支座在恒载+活载+附加力作用下最小支反力 kN支座类型 1#台 1#墩 2#墩 3#墩 4#台单排支座 547.6 1 225.1 1 224.3 1 225.1 547.6双排支座左排右排643.5 648.9 650.6 498.7 498.7 650.6 625.6 643.5
从对比结果可以看出，单、双排弹性支座结构形式在恒载+活载+附加力作用下支反力比刚性支座结构形式下稍小，但是差别不大；弹性支座桥墩上所有的支反力并
没有出现负值，说明支座均没有脱空。

（2）恒载+活载+附加力作用下跨中正弯矩和墩顶负弯矩对比见表15和表16。

表15 单、双排弹性支座恒载+活载+附加力作用下跨中弯矩kN·m第4跨跨中单排支座 8 147.5 7 826.3 7 826.3 8 147.5双排支座 7 438.2 7 220.5 7 220.5 7 438.2差值/比值 709.3/8.7%605.8/7.8%605.8/7.8%709.3/8.7%支座类型第1跨跨中第2跨跨中第3跨跨中
表16 单、双排弹性支座恒载+活载作用下墩顶负弯矩kN·m支座类型 1#墩顶 2#墩顶 3#墩顶单排支座 -4 943.5 -4 735.2 -4 943.5双排支座 -4 618.6 -4 489.5 -4 618.6差值/比值 324.9/6.6% 245.7/5.2% 324.9/6.6%
单、双排支座在弹性支座下其内力变化规律是一致的：即跨中和墩顶内力都有减小的趋势，双排支座结构形式比单排支座内力减小值略大，这对桥梁结构是有利的。

3 结论
（1）通过单、双排支座在恒载作用下的跨中及墩顶弯矩可知：恒载作用下单排支座产生的跨中弯矩大于双排支座产生的跨中弯矩，同时墩顶负弯矩也明显大于双支座，所以，在恒载作用下双排支座更能有效地改善主梁的受力，使主梁恒载弯矩减小。

墩顶负弯矩短束的张拉对单、双排支座的内力变化趋势一致：即跨中正弯矩减小、墩顶负弯矩增大。

（2）通过单、双排支座在恒载及活载作用下的支反力、内力比较可知：双排支座结构的支反力并未出现负值，说明支座并未脱空，并且双排支座的最大反力值低于单支座的最大反力值；单、双排支座的内力受活载影响变化较大；双排支座同样可以减小跨中正弯矩和墩顶负弯矩，使主梁受力更加合理。

（3）通过单、双排支座在恒载、活载、附加力作用下的支反力、内力比较可知：单、双排支座的支反力受附加力影响不大，支座均处于受压状态；另外，附加力使双排支座的跨中及墩顶内力有一定程度的减小。

（4）在弹性支座结构形式下，桥梁墩台支反力及主梁内力比刚性支座结构形式下略小，墩台上所有支反力出现负值，说明支座没有脱空。

参考文献
［1］李涛，陈斌，向正松.先简支后连续梁桥施工顺序对结构内力的影响［J］.公路交通技术，2010，（6）：74-78.
［2］胡国海.先简支后连续桥梁设计与研究［D］.杭州：浙江大学，2002. ［3］陈强.先简支后连续结构体系研究［D］.杭州：浙江大学，2002.
［4］刘国慧.简支变连续桥梁的设计与试验研究［D］.天津：天津大学，2006. ［5］刘阳明，刘景生.先简支后连续结构体系初步探讨［J］.四川建筑，2008（4）：126-127.
［6］徐岳，王亚君，万振江.预应力混凝土连续梁桥设计［M］.北京：人民交通出版社2000.
［7］麻文燕.先简支后连续梁桥设计及施工技术研究［D］.重庆：重庆交通大学，2007.。