弯桥设计浅谈

2011-02-17陈志亮

中国科技信息 2011年2期

关键词：支座弯矩扭矩

陈志亮

广州市公路勘察设计有限公司

弯桥设计浅谈

陈志亮

广州市公路勘察设计有限公司

介绍了弯桥的受力特点,并分析了弯桥设计时应考虑和注意的一些问题。

弯桥;受力特点；结构设计;弯扭;耦合

1 概述

近年来,随着城市建设的快速发展,城市基础设施也要求越来越完善，弯桥在现代化的公路及城市道路桥梁中的应用也越来越普遍。尤其在互通式立交的匝道桥设计中应用更为广泛。由于受地形、地貌和占地面积及城市美化等因素的影响，使得高架结构和立交结构桥梁有弯、斜及异型的特点，桥梁平面线型设计受到一定的制约，而弯桥相比于直线桥对地形地貌的适应性较强，能很好地解决这个问题。弯桥为弯扭耦合作用下复杂的空间受力结构。其受力性能与桥梁的曲率半径、跨径、截面形式、宽跨比、抗弯刚度、抗扭刚度、支座的约束形式以及外荷载类型等有关。

2 弯桥的受力特点

2.1 梁体的弯扭耦合作用

弯桥能很好地克服地形、地物的限制,可以让设计者较自由地发挥自己的想象,通过平顺、流畅的线条给人以美的享受。但是弯桥的受力比较复杂。

弯桥工作的特点主要取决于曲率大小的影响。当垂直荷载作用于弯桥上时，弯桥将同时产生弯矩和扭矩，并且相互影响，造成弯桥力学分析的复杂性。与直线桥相比,弯桥的受力性能有如下特点: (1)梁体的弯扭耦合作用,即梁截面内产生弯矩的同时，必然地伴随着产生耦合扭矩，同理，在产生扭矩的同时也伴随着产生相应的耦合弯矩。梁截面处于弯扭共同作用的状态，其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多，这是弯主要的受力特点。(2)弯桥在外荷载的作用下，还会出现横向弯矩。(3)由于弯扭耦合作用，弯桥的变形比同样跨径直线桥要大，外边缘的挠度大于内边缘的挠度，而且曲率半径越小、桥越宽，这一趋势越明显。同时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。

在弯桥中,由于存在较大的扭矩,因而通常会出现“外梁超载,内梁卸载”的现象,这种现象在小半径的宽桥中特别明显。当活载偏置时，内侧可能产生负反力，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。

2.2 下部桥梁墩台的受力情况

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。当扭矩很大时,如果设置了拉压支座,有些墩柱甚至会出现拉力。

弯桥下部结构墩顶水平力,除了与直桥一样有制动力、温度力、地震力等以外,还因为弯曲率的存在,多了离心力和预应力张拉时产生的径向力。

由于弯桥受力比较复杂，设计时应进行全面的空间受力计算分析。应对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲变形作用下，结合自重、预应力、温度力和活载等荷载进行详细的受力分析，只有充分考虑了弯桥的受力特点，才能做到安全可靠的结构设计。

3 弯桥的结构设计

直线桥受“弯、剪”作用，而弯桥处于“弯、剪、扭”的复合受力状态，故上、下部结构必须构成有利于抵抗“弯、剪、扭”的措施。

3.1 上部结构设计

目前曲线梁桥的受力计算一般借助于计算机来完成，分析方法较多，如：M/R法、一根曲线梁法、梁格分析法、有限元和有限条法等，而梁格法在设计单位得到较为广泛应用。

3.1.1 M/R法

这种方法是弯桥计算的一种简易分析方法，它是建立在纯扭转理论基础上的。根据文献资料提供的数据，M/R法的近似程度主要取决于中心角、弯曲、扭转的刚度比及两端的约束条件。在此方法中，受弯和扭转应分别计算。用拉直曲线梁至其全部展开长度的相应直梁以确定弯矩、竖向剪力；扭转采用共轭梁法。

3.1.2 一根曲线梁法

这种方法也是建立在纯扭转理论基础上的，并且弯桥的上部结构也是用一根弹性杆件来代表的。只不过这种方法应用更为广泛，例如，沿梁轴不仅可以作用有均布扭矩，还可以作用有集中扭矩；横截面也可以不对称；中心角的大小、弯曲与扭转刚度比以及两端的约束条件，都不影响计算结果精度。

3.1.3 梁格法

梁格法是目前最常用的分析弯桥的方法。它易于理解，便于使用，并且是比较精确的方法，因此在各种类型的桥梁分析中广泛应用。此方法主要要点是：根据结构的形式和性能将上部结构离散为纵、横交错的网格，把分散在梁每一区格内的抗弯和抗扭刚度假定集中于最邻近的等效的梁格内，即纵向刚度集中于纵向梁内、横向刚度集中于横向梁内，尽量使模型与实际受力状态吻合。当结构原型和等效梁格承受形同的荷载时，它们的挠曲变形相等，并且在任一梁格内的弯矩、剪力和扭矩均等于它们所代表的那一部分上部结构的内力。但是由于结构原型和梁格模型有着不同的结构特性(例如梁格之间结构不连续，梁格的节点上应力集中)，因此这种假定只能是近似的。一般来说，梁格网越密，这种近似性就越好。现在运用梁格法计算理论编制而成的桥梁计算软件越来越多，如同济大学开发的“桥梁博士”和北京迈达斯技术有限公司开发的“midas Civil”等都有梁格法计算方法。

3.1.4 有限元法和有限条法

有限元法是计算弯桥最有效的分析方法，其精度取决于所采用的单元模型。这种方法常采用空间梁单元、板壳单元以及实体单元来模拟结构,能计算任意形状的复杂结构。板壳单元以和实体单元可以充分计入翘曲、畸变、剪力滞等的影响，计算精度高，但其结果为应力状态，用于设计配筋显得相当麻烦。

有限条法是有限元法的特殊形式，它们的区别在于单元的位移函数不同。有线条法常用于解决规则结构和简单边界条件，它不能考虑内横隔板的作用。

3.2 支承和下部分析

弯桥的不同支承方式，对其上、下部结构内力影响非常大。对于连续弯桥，中间支承一般分抗扭型支承(多支点或墩梁固结）和独柱点铰支承。对于较宽的桥(一般桥宽>12m)和曲线半径较大(一般R>100m)的弯桥，主梁设计一般扭转较小，故设抗扭支承比设点铰支承比较合理；对于较窄的桥(一般桥宽<12m)和曲线半径较小(一般R<100m)的弯桥，主梁设计扭转较大，一般将中间墩布置成独柱点铰支承。桥体端部支承一般设置成多支点抗扭型支承。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。

设置抗扭型支承需注意：当桥墩高度较矮时，也即墩柱相对刚度较大时，应选择多支点支承；当桥墩高度较高时，中墩可采用墩柱与梁固结的结构支承形式。

弯桥桥墩受力除了与直桥一样要承受自重、车辆荷载、温度力、地震力等外,还要承受离心力、弯梁内预应力产生的径向力等。这样弯桥桥墩受力较直桥复杂，而且桥墩所受的外力方向常发生变化，计算需考虑双向偏心,墩柱采用圆形截面比较合理。