浅析曲线梁桥下部支承方式的设计

孟维军

（哈尔滨铁道职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150081）

1 引言

近年来，随着我国公路和城市道路的发展建设，曲线梁桥因其线型流畅、美观和占地面积小等优点已经被广泛应用。

曲线梁桥受力状态较为复杂，所以在设计过程中，必须对其结构受力特点有充分的了解，全面综合考虑各种因素对主梁及墩柱的不利影响。在全国范围内，此类桥型结构目前已出现多次因设计原因而在施工或使用过程中发生事故；其中有的引起主梁开裂；有的引起墩柱开裂；还有的引起主梁向外偏转或向内偏转而使支座脱空；有的已经全桥拆除；给国家造成巨大经济损失。

综上所述，曲线梁桥的设计，必须引起充分重视，并使用空间分析程序对其上下部结构进行全面的整体的计算。下面就曲线梁桥设计中遇到的一些实际问题进行分析。

2 曲线梁桥的受力特点

2.1 梁体的弯扭耦合作用

曲梁在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩,并且互相影响,使梁截面处于弯扭耦合作用状态,其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多,这是弯梁曲线桥独有的受力特点。弯梁曲线桥由于受到强大的扭矩作用,产生扭转变形,其曲线外侧的竖向挠度大于同跨径的直桥;由于弯扭耦合作用,在梁端可能出现翘曲,当梁端横桥向约束较弱时,梁体有向弯道外侧“爬移”的趋势。

2.2 内梁和外梁受力不均

在弯梁曲线梁桥中,由于存在较大的扭矩,因而通常会使外梁超载、内梁卸载,尤其在宽桥情况下内、外梁的差异更大。由于内、外梁的支点反力有时相差很大,当活载偏置时,内梁甚至可能产生负反力,这时如果支座不能承受拉力,就会出现梁体与支座的脱离,即“支座脱空”现象。

2.3 下部受力复杂

由于内外侧支座反力相差较大,使各墩柱所受垂直力出现较大差异。弯桥下部结构墩顶水平力,除了与直桥一样有制动力、温度变化引起的内力、地震力等外,还存在离心力和预应力张拉产生的径向力。

综合以上曲线梁桥受力特点，故在独柱支承曲线梁桥结构设计中，应对其进行全面的整体的空间受力计算分析，只采用横向分布等简化计算方法，不能满足设计要求。必须对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下，结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析，充分考虑其结构的空间受力特点才能得到安全可靠的结构设计。

3 下部支承方式对曲线桥内力的影响

曲线梁桥的不同支承方式，对其上、下部结构内力影响非常大，根据其结构受力特点一般采用的支承方式为：

在曲线梁桥两端的桥台或盖梁处采用两点或多点支承的支座，这种支承方式可有效地提高主梁的横向抗扭性能，保证其横向稳定性。

在曲线梁桥的中墩支承处可采用的支承形式很多，应根据其平面曲率、跨径、墩柱截面和墩柱高度及预应力钢束作用力的不同来合理地选用支承方式。经常采用的支承方式有：

墩顶采用方板或圆板橡胶支座，这种方式适用于中墩支反力10000kN以下曲线梁桥梁，板式橡胶支座能够提供一定的抗扭能力，对梁有较弱的扭转约束，水平方向容许有剪切变形。

对于中墩支反力接近或超过10000kN的曲线梁桥可采用单向、多向活动或固定的盆式支座或球形支座。这种支座可根据其受力需要固定或放开某方向的水平约束，但是这种支座对主梁的扭转没有约束，这时主梁在横向和纵向可自由扭转。

采用双柱中墩，或在选用矩形宽柱上设置双点支承。这种支承方式对主梁可提供较大的扭转约束。

采用独柱墩顶与梁固结的方式，墩柱可承担一部分主梁扭矩，对主梁的扭转变形有一定约束。采取不同的支承方式对曲线梁桥的上、下部结构受力影响很大，针对不同的桥梁结构应选用对结构受力有利的支承方式。通过以往的曲线梁桥设计经验发现不同的支承方式主要影响主梁的扭矩值和扭矩沿梁纵向的分布规律，以及主梁的扭转变形和墩柱的受力状态。

下面将举例说明不同支承方式对曲线梁桥的受力影响。

某立交匝道桥，桥梁跨径为30×2＋33＋30×2＋20＝173m，中段有 R＝33m（桥梁中线）的圆曲线段，最大圆心角为183°，整个桥梁位于道路回头曲线内。桥梁横截面为单箱单室箱形预应力混凝土梁，梁高1.65m，中墩全部采用独柱，墩柱顶部放置板式橡胶支座。设计中采用空间计算程序进行了详细的受力分析，其中对各中墩单点支承和双点支承（支座间距2.5m）两种结构形式进行了计算比较，下面是两种结构的扭矩图（图1）。

图1 曲线梁双点支承与单点支承对扭矩的影响

从图中可以看出：①采用双点支承时，在主梁的自重作用下，扭矩值较单点支承时的值最大可小30%，说明双点支座可有效减小主梁自重扭矩；②双点支承时，预应力作用下，扭矩值较单点支承的值增大很多，而且扭矩分布规律也发生了变化，说明双点支承增大了主梁预应力所产生的扭矩；③在主梁自重与预应力荷载的合成扭矩仍然是双点支承的大。当然这种规律对所有桥梁不一定有普遍性。

4 曲线梁桥下部支承设计意见

根据以往的曲线梁桥设计经验和对几座曲线梁桥事故的分析，在曲线梁桥选择支承方式时，提出以下几点意见，供设计参考：

对于轻宽的桥（约桥宽B＞12m）和曲线半径较大（一般R＞70m）的曲线梁桥，由于主梁扭转作用较小，桥体宽要求主梁增加横向稳定性，故在中墩宜采用具有抗扭较强的多柱或多支座的支承方式，亦可采用墩柱与梁固结的支承形式。

对于轻窄的桥（约桥宽 B＜12m）和曲线半径较小（一般约 R＜70m）的曲线梁桥，由于主梁扭转作用的增加，尤其在预应力钢束径向力的作用下，主梁横向扭矩和扭转变形很大。由于桥窄因此易采用独柱墩，但在选用支承结构形式时应视墩柱高度不同而确定。在较高的中墩（一般约H＞8m）可采用墩柱与梁固结的结构支承形式。在较低的中墩（一般约H＜8m）可采用具有较弱抗扭能力的单点支承的方式。这样可有效降低墩柱的弯短和减小主梁的横向扭转变形。但这两种交承方式都需对横向支座偏心进行调整。

我国现行的桥梁规范还未对曲线梁桥最大扭转变形作出限制的规定。经过对几座曲线梁桥破坏的分析，为保证其安全，在设计曲线形梁桥时，应对其在恒载加酒载的最大扭转变形值加以控制。

墩柱截面的合理选用。当采用墩柱与梁固结的支承形式时就必须注意墩柱的弯矩变化。在主梁的扭转变形过大同时墩柱弯矩也很大（一般墩柱较矮）的情况下，采用圆形截面墩柱固结是不经济的。首先，墩柱受力过大配筋不易通过，仅仅加大墩柱直径，会使墩柱刚度增加很多，在预应力径向力作用下墩柱径向弯短和在温度荷载作用下纵向弯矩都会增加，合成后的弯矩会更大，更不利于墩柱受力。其次，圆形截面墩柱对主梁的扭转约束相对较小，不利于减小主梁的扭转变形。但对于上述情况的曲线梁桥如采用扁高矩形截面墩柱时，就可有效避免以上不利情况的发生。因为扁高矩形截面沿主梁纵向抗弯刚度较小，而沿主梁横向抗弯刚度较大，这样既减小了墩柱的配筋又降低了主梁的横向扭转变形，更适合其受力特点，从而达到墩柱与主梁两全其美的效果。

在曲线梁桥的中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，应至少设置两个中墩多向固定支座，在桥台于主梁侧面立设置防侧滑装置。这一点主要是因为采用没有水平位移约束的活动支座时，曲线梁在汽车活载的离心力和制动力长期反复作用下容易产生主梁向曲线外侧及汽车制动力方向的水平错位，一般匝道桥都是单方向行使，所以这种作用力总是朝着固定方向。当中墩采用多向活动的盆式支座或球形支座时，在主梁纵坡的影响下，主梁易产生向下的滑动，这种滑动与汽车制动力一致时就更加剧了主梁的水平错位。这 种变形如任其发展下去是十分危险的，由于主梁的偏移改变了各支承与主梁的原有位置，使主梁向外偏转倾向更加严重，主梁扭矩也在增加，如不及时处理，严重时可使主梁滑落。

曲线梁桥在进行边墩盖梁和支座设计时，由于其横向各支座反力相差较大，所以对边墩各支座反力应进行结构空间计算后确定，这样才能计算出反力的最不利值，同时避免边支座产生负反力，才能满足设计要求。只使用平面杆系程序计算出支点总反力后横向平均到各个支座上的方法，不适合曲线梁桥。

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