城市橋梁中小半徑曲線梁橋設(shè)計分析

1、城市橋梁中小半徑曲線梁橋設(shè)計分析    摘要：混凝土曲線梁橋始終處于彎扭耦合作用的狀況下，扭矩過大時會使曲線箱梁橋產(chǎn)生內(nèi)側(cè)支座脫空、梁體外移、翻轉(zhuǎn)、裂縫和崩脫等病害，嚴(yán)重影響曲線箱梁橋的正常運行。通過調(diào)節(jié)支座布置型式，可以使曲線梁中的扭矩分布合理，具有一定的現(xiàn)實意義。 關(guān)鍵詞：橋梁；箱梁；曲線梁橋；偏心支座 1.概述 目前曲線箱梁橋在現(xiàn)代化的公路及城市道路立交中的數(shù)量逐年增加，應(yīng)用已非常普遍。尤其在互通式立交的匝道橋設(shè)計中應(yīng)用更為廣泛。因預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁具有較大的抗扭剛度、較好的適應(yīng)地形地物、線條平順流暢等優(yōu)點,在公路立交及城市高架橋的曲線橋上得到了

2、廣泛的應(yīng)用。但曲線箱梁作為一種空間結(jié)構(gòu)，在荷載、預(yù)應(yīng)力、溫度徐變中等產(chǎn)生的彎矩、扭矩、剪力、軸力及二次矩等作用下受力十分復(fù)雜，很難直接計算，若設(shè)計考慮不周，會發(fā)生支座脫空、移位、崩脫等事故，導(dǎo)致在工程施工結(jié)束后不久就需要進行加固維修，造成不良的社會影響。據(jù)有關(guān)報道，深圳市40座立交橋中，有19座立交橋存在大小不同的問題，產(chǎn)生問題的原因是多方面的，有的在連續(xù)梁曲線內(nèi)側(cè)端支座脫空；有的曲線梁體向曲線外側(cè)徑向整體側(cè)移；有的墩梁固結(jié)處在立柱頂部（與梁底銜接處）產(chǎn)生水平環(huán)形裂縫等危及橋梁正常使用的現(xiàn)象。但總的來說屬于在探索和設(shè)計過程中認(rèn)識不足和尚未認(rèn)識的失誤。因此針對小半徑曲線梁橋進行設(shè)計分析，對工程設(shè)

3、計和施工都具有很大的意義。 2.曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力特點 2.1預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁中的扭矩 眾所周知,曲線梁與直線梁的主要區(qū)別在于曲線梁具有如下特征：1)外緣彎曲應(yīng)力大于內(nèi)緣彎曲應(yīng)力；2)外緣撓度大于內(nèi)緣撓度，且隨著曲率半徑的減小，撓度差不斷增大；3)無論采用何種支座布置方案,曲線梁內(nèi)總存在扭矩；4)各主梁恒載內(nèi)力不均勻，因此，曲線梁總是處于彎、扭耦合的受力狀態(tài)下。 對于非預(yù)應(yīng)力曲線箱梁，恒載產(chǎn)生的扭矩主要由內(nèi)外緣自重差異引起；對于預(yù)應(yīng)力曲線箱梁，除了內(nèi)外緣自重差異產(chǎn)生扭矩外，預(yù)應(yīng)力鋼束在空間方向的分布對于剪心(即扭轉(zhuǎn)中心)會產(chǎn)生很大的力矩，且為主要扭矩。鋼束在箱梁的腹板中有若干個上彎曲和下彎曲

4、，同時在水平方向還有一個大彎曲。底板內(nèi)的鋼束主要為水平面內(nèi)的彎曲?？紤]到中腹板內(nèi)鋼束向上的豎直分力與剪心的力矩基本平衡，而向彎曲中心方向的分力對梁體有一個逆時針方向的扭矩，底板鋼束產(chǎn)生逆時針方向的扭矩，腹板中鋼束水平分力產(chǎn)生了順時針方向的扭矩，因此在支座附近由鋼束產(chǎn)生的扭矩要遠小于跨中部分的扭矩。 2.2梁體的彎扭耦合作用 曲線梁橋在外荷載的作用下會同時產(chǎn)生彎矩和扭矩，并且互相影響，使梁截面處于彎扭耦合作用的狀態(tài)，其截面主拉應(yīng)力往往比相應(yīng)的直梁橋大得多，這是曲線梁橋獨有的受力特點。彎梁橋由于受到強大的扭矩作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，其曲線外側(cè)的豎向撓度大于同跨徑的直橋；由于彎扭耦合作用，在梁端可能出現(xiàn)

5、翹曲；當(dāng)梁端橫橋向約束較弱時，梁體有向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢。 2.3內(nèi)梁和外梁受力不均 在曲線梁橋中，由于存在較大的扭矩，因而通常會使外梁超載、內(nèi)梁卸載，尤其在寬橋情況下內(nèi)、外梁的差異更大。由于內(nèi)、外梁的支點反力有時相差很大，當(dāng)活載偏置時，內(nèi)梁甚至可能產(chǎn)生負(fù)反力，這時如果支座不能承受拉力，就會出現(xiàn)梁體與支座的脫離，即“支座脫空”現(xiàn)象。 2.4墩臺受力復(fù)雜 由于內(nèi)外側(cè)支座反力相差較大，使各墩柱所受垂直力出現(xiàn)較大差異。彎橋下部結(jié)構(gòu)墩頂水平力，除了與直橋一樣有制動力、溫度變化引起的內(nèi)力、地震力等外，還存在離心力和預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的徑向力。故在曲線梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)對其進行全面的整體的空間受力計算分析

6、，只采用橫向分布等簡化計算方法，不能滿足設(shè)計要求。必須對其在承受縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)和翹曲作用下，結(jié)合自重、預(yù)應(yīng)力和汽車活載等荷載進行詳細(xì)的受力分析，充分考慮其結(jié)構(gòu)的空間受力特點才能得到安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 3.曲線梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計 曲線箱梁橋設(shè)計較多的是匝道橋，其橋面寬度比較窄，一般在612m左右。由于匝道是用來實現(xiàn)道路的轉(zhuǎn)向功能的，在城市中立交往往受到占地面積的限制，所以匝道橋多為小半徑的曲線梁橋，而且設(shè)置較大超高值。另外，匝道橋往往設(shè)置較大縱坡，匝道不僅跨越下面的非機動車道，有時還需跨越主干道和匝道，這就增大了匝道橋的長度。因此曲線梁橋處于“彎、剪、扭”的復(fù)合受力狀態(tài)，上、下部結(jié)構(gòu)必須構(gòu)成有利于

7、抵抗“彎、剪、扭”的措施，這給橋梁的線型設(shè)計和構(gòu)造處理帶來很大困難。 3.1彎梁橋的彎扭剛度比對結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)有著直接的關(guān)系：彎扭剛度比越大，由曲率因素而導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)彎形越大，因此，對于彎梁橋而言在滿足豎向變形的前提下，應(yīng)盡可能減小抗彎剛度、增大抗扭剛度。所以在曲線梁橋中，宜選用低高度梁和抗扭慣矩較大的箱形截面。小半徑曲線梁橋的梁高大于跨徑的1/18時,是比較經(jīng)濟的。在特殊情況下也不應(yīng)小于跨徑的1/22。 3.2在曲線梁橋截面設(shè)計時，要在橋跨范圍內(nèi)設(shè)置一些橫隔板，以加強橫橋向剛度并保持全橋穩(wěn)定性。在截面發(fā)生較大變化的位置，要設(shè)漸變段過渡，減小應(yīng)力集中效應(yīng)。 3.3在進行配筋設(shè)計時要充分

8、考慮扭矩效應(yīng)，彎梁應(yīng)在腹板側(cè)面布置較多受力鋼筋，其截面上下緣鋼筋也比同等跨徑的直橋多，且應(yīng)配置較多的抗扭箍筋。在預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋中，應(yīng)設(shè)置防崩鋼筋。 3.4城市立交橋中的曲線箱梁橋中墩多布置成獨柱支承構(gòu)造。在獨柱式點鉸支承彎連續(xù)梁中，上部結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生的扭矩不能通過中間支承傳至基礎(chǔ)，而只能通過曲梁兩端抗扭支承來傳遞，從而易造成曲梁產(chǎn)生過大扭矩。為減小彎梁橋梁體受扭對上、下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，可采用以下方法進行結(jié)構(gòu)受力平衡的調(diào)整： （1）為減小此項扭矩的影響，比較有效的辦法是通過調(diào)整獨柱支承偏心值來改善主梁受力。 （2）通過預(yù)應(yīng)力筋的徑向偏心距來消除曲梁內(nèi)某些截面過大的扭矩，改善主

9、梁的受力狀態(tài)也是一種行之有效的辦法。預(yù)應(yīng)力曲線梁往往產(chǎn)生向外偏轉(zhuǎn)的情況，這是由其結(jié)構(gòu)特點造成的。預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的扭矩分布和自重、恒載作用下的扭矩分布規(guī)律有著較大的區(qū)別，為調(diào)整扭矩分布，可在曲線梁軸線兩側(cè)采用不同的預(yù)應(yīng)力鋼束及錨下控制應(yīng)力，構(gòu)成預(yù)應(yīng)力束應(yīng)力的偏心，形成內(nèi)扭矩來調(diào)整曲線梁扭矩分布。由于混凝土的收縮、徐變涉及的因素較多,每個工程中混凝土的材料、級配不盡相同,要很精確的計算出混凝土收縮、徐變對小半徑曲線梁橋的作用較難。故在設(shè)計小半徑曲線梁橋,最好采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對于預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋,縱向預(yù)應(yīng)力筋采用高強度低松弛鋼絞線。 3.5下部支承方式的確定。曲線梁橋的不同支承方式，對其上、

10、下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常大。對于彎梁橋，中間支承一般分為兩種類型：抗扭型支承（多支點或墩梁固結(jié)）和單支點鉸支承。在曲線梁橋選擇支承方式時，可遵循以下原則： （1）對于較寬的橋（橋?qū)払12m）和曲線半徑較大（一般R100m）的曲線梁橋，由于主梁扭轉(zhuǎn)作用較小，橋體寬要求主梁增加橫向穩(wěn)定性，故在中墩宜采用具有抗扭較強的多柱或多支座的支承方式，亦可采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式。 （2）對于較窄的橋（橋?qū)払12m）和曲線半徑較?。ㄒ话慵sR100m）的曲線梁橋，由于主梁扭轉(zhuǎn)作用的增加，尤其在預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力的作用下，主梁橫向扭矩和扭轉(zhuǎn)變形很大。由于橋窄因此宜采用獨柱墩，但在選用支承結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)視墩柱高度不同而確

11、定。較高的中墩可采用墩柱與梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)支承形式。較低的中墩可采用具有較弱抗扭能力的單點支承的方式。這樣可有效降低墩柱的彎短和減小主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形。但這兩種交承方式都需對橫向支座偏心進行調(diào)整。 （3）墩柱截面的合理選用。當(dāng)采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式時就必須注意墩柱的彎矩變化。在主梁的扭轉(zhuǎn)變形過大同時墩柱彎矩也很大（一般墩柱較矮）的情況下，宜采用矩形截面墩柱。因為矩形截面沿主梁縱向抗彎剛度較小，而沿主梁橫向抗彎剛度較大，這樣既減小了墩柱的配筋又降低了主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形，更適合其受力特點。 4.曲線梁橋支座布置型式 曲線箱梁橋支座的布置型式通常采用全部采用抗扭支承、兩端設(shè)置抗扭支承，中間設(shè)單支點鉸

12、支承、兩端設(shè)置抗扭支承，中間既有單支點鉸支承，又有抗扭支承的混合式支承，下部墩柱應(yīng)與之相匹配。 在曲線箱梁橋中，兩端為抗扭支座(雙支座),聯(lián)內(nèi)安置幾個鉸支座的布置已不多見，即使對小跨徑小半徑的非預(yù)應(yīng)力曲線梁，一般也采用設(shè)內(nèi)、外偏心支座方案。通常預(yù)應(yīng)力鋼束引起的扭矩隨彎曲半徑的減小而加大，總的扭矩隨跨長而增大,因此跨中的偏心支座，在與偏心距的設(shè)置上要分別考慮以下幾方面的影響： （a）橫向恒載不均勻的影響，可通過設(shè)置中墩偏心距e來解決；對于彎曲半徑大于130m的曲線梁，這個偏心距不大，一般在0.1m0.2m左右； （b）預(yù)應(yīng)力束形成扭矩的影響這部分扭矩的影響相當(dāng)大，有時在半徑為130m、聯(lián)跨長14

13、0m的四跨曲線箱梁中可達20000KNm以上，若用增加跨中支座偏心距的辦法，則跨中支座的總偏心距為，式中,為抵抗預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩；若跨中支座按設(shè)內(nèi)、外偏心支座的方案布置，偏心距的加大可使端部抗扭的雙支座中的反力大致相等(或外側(cè)支座反力稍大些)； （c）曲線梁從施工完成到使用后的相當(dāng)一段時間內(nèi)均受到徐變、溫度以及不均勻扭矩的影響，支座總有滑移，因此每聯(lián)曲線梁必須設(shè)有一個固定支座,固定支座一般設(shè)在跨中，有時也可特意在跨中設(shè)固結(jié)墩； （d）若梁的線剛度較低，則在內(nèi)側(cè)邊緣行駛車輛的活載作用下會使內(nèi)側(cè)受拉區(qū)產(chǎn)生較大的應(yīng)力及撓度(或轉(zhuǎn)角)，此時可采用設(shè)內(nèi)、外偏心支座的布置方案； （e）對于設(shè)內(nèi)、外偏心支

14、座的支座布置，梁內(nèi)的扭距使梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，與直線箱梁不同，曲線梁中這種扭轉(zhuǎn)屬于約束扭轉(zhuǎn)，因此梁體內(nèi)既有剪力滯效應(yīng)，又有翹曲與畸變應(yīng)力，當(dāng)半徑R足夠大時這種影響不明顯，從而使扭轉(zhuǎn)有些類似于自由扭轉(zhuǎn)，截面內(nèi)只有剪力流； （f）對曲率半徑R大于130m、跨徑小于30m、頂板寬9m的匝道橋，可采取設(shè)內(nèi)、外偏心支座的布置方案，但跨徑大于35m時若仍用此方案時，應(yīng)在聯(lián)中采用一個固結(jié)墩，或者在全部跨中支座采用偏置雙支座方案； （g）對曲線箱梁而言，在曲線箱梁中布設(shè)一抗扭支座（可以是雙支座,也可以是固結(jié)墩）的方案是既合理又保險的方案，但這樣的橋墩會發(fā)生由于外支座反力過大導(dǎo)致墩頂橫梁開裂的事故，為防止這類事故的

15、發(fā)生，可通過在墩頂橫梁內(nèi)布設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束或者加大墩頂?shù)牟冀蠲芏葋肀苊狻?對于多跨小半徑曲線連續(xù)梁橋，全部為抗扭支承與中間為點鉸支承的，兩者在荷載作用下的彎矩和剪力值差別甚小，而且曲率的變化對彎矩值的影響也只有1%2%，但對扭矩的影響,則隨曲率的增大而加大。當(dāng)各跨圓心角大于30°時，中間設(shè)單支點鉸支承的扭矩控制值比全部為抗扭支承的扭矩控制值要大15%左右。在中間設(shè)獨柱式單支點的曲線連續(xù)梁內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)的扭矩不能通過中間單支點支承傳至基礎(chǔ)，而只能由曲線橋兩端設(shè)置的抗扭支承來傳遞。在此情況下連續(xù)梁的全長成為受扭跨度（扭矩的傳遞作用)，必然造成曲線橋兩端抗扭支承處產(chǎn)生過大的扭矩，造成曲線梁端部內(nèi)

16、側(cè)支座脫空，所以在必要時，,須對多跨橋梁中間墩設(shè)置兩支點的抗扭支承。如果在中間墩點支承向曲線外側(cè)方向預(yù)設(shè)一定偏心值，就可以調(diào)整曲線梁橋的梁體恒載扭矩分布，有效地降低兩端抗扭支承的恒載扭矩值。但這一措施對減少活載扭矩的影響較小，這是由于活載引起的扭矩中車輛偏載占了很大一部分。必要時可在墩頂設(shè)置限位擋塊或采用墩梁固結(jié)的辦法來限制曲線梁橋的梁體徑向位移。 5.曲線箱梁橋設(shè)計實例分析 某城市預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土曲線梁橋，單箱雙室截面，頂板寬9.2m，底板寬4.4m，跨徑組合為20m+18m+18m，橋梁平面位于直線段和R=34米的平曲線上，汽車荷載采用城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)：城市A級。  

17、0;                       本橋設(shè)計時，直線段按照普通直線橋設(shè)計即可，曲線段較特殊，須考慮支座設(shè)置問題及各箱梁截面抗扭性能。在設(shè)計時，采用Midas/civil軟件進行全橋計算分析，整個橋梁離散為梁單元模型，47個節(jié)點，40個單元。計算中以控制截面彎、扭組合受力最小及支座不出現(xiàn)拉力為目標(biāo)，計算得出各支座預(yù)設(shè)偏心情況如圖3所示。 計算結(jié)果表明，在城市A級車輛

18、荷載作用于箱梁內(nèi)外側(cè)兩種情況，支座均未出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，支座1出現(xiàn)最小反力為23KN，支座4出現(xiàn)最小反力為9KN。汽車作用在外側(cè)時，支座最大反力5293KN,出現(xiàn)在3號支座；汽車作用在內(nèi)側(cè)時，支座作大反力5179KN，出現(xiàn)在3號支座。全橋最大彎矩產(chǎn)生在第三跨跨中處，而扭矩出現(xiàn)在梁端雙支座處。扭矩在支座3處出現(xiàn)反號現(xiàn)象，主要是由于汽車作用內(nèi)外側(cè)時，在曲線曲率減小處產(chǎn)生體系內(nèi)力重分配引起的。 通過上述結(jié)果分析，可以得出城市曲線箱梁橋（匝道橋），在設(shè)計時只要經(jīng)過合理的計算分析，采用抗扭剛度大的截面并加強橫格梁的強度，合理設(shè)置支座偏心，可以達到我們預(yù)期的結(jié)果，設(shè)計出理想的橋梁，確保橋梁運營階段整體受力均衡

19、，應(yīng)力儲備充足。 5.曲線梁橋設(shè)計中需要注意的其它問題 （1）所有中墩支座，盡可能橫橋向位移固定，可采用盆式或普通板式橡膠支座 （2）當(dāng)橋長較大（如大于100m）,梁端支座應(yīng)能順橋向自由滑動、橫橋向位移固定，可采用盆式橡膠支座，或附加了橫橋向位移固定裝置的四氟板橡膠支座；此外，梁端間隙和伸縮縫構(gòu)造，應(yīng)保證在最大升溫條件下，梁能夠不受阻礙地自由伸縮變形；當(dāng)橋長較小時，梁端支座可以采用普通板式橡膠支座。梁端設(shè)普通板式橡膠支座、所有中墩設(shè)橫橋向自由滑動的盆式支座，對曲線梁橋是危險的，應(yīng)絕對避免。 （3）當(dāng)曲線梁橋比較寬、各墩也較寬時，應(yīng)注意溫度變化時由于曲線梁水平彎曲變形在墩頂產(chǎn)生的橫橋向水平作用力可能會比較大，尤其是當(dāng)所有中墩支座均為橫橋向位移固定時。 6.結(jié)語 曲線箱梁橋由于其結(jié)構(gòu)受力的特殊性，較同等跨徑的直梁橋要復(fù)雜