试论曲线梁的平衡设计要点

2013-04-02仲照红

城市道桥与防洪 2013年9期

仲照红

（广州特希达科技有限公司，广东佛山 528300）

0 前言

交通业快速发展，交通网络越加发达，为了让城市交通更加顺畅，越来越多的曲线梁桥搭建起来，成为城市一道别样的风景线。北京的立交桥一直是这个城市的特色,在立交桥的建设中，曲线梁桥实现了四面八方的交通相互之间的连接。曲线桥的建造不仅仅能实现其功能性，还可以为城市的规划建设增添一道优美的风景线。曲线梁桥缩短了桥梁的长度和横向跨度，大大降低了建设成本与物料，实现了良好的经济效益。一般情况下，建设匝道桥是针对交通功能有特殊要求或者因为地形条件所限，所以，通常会选择曲线桥、异形变宽桥等桥体类型。较之直线跨度的桥梁结构，曲线桥所受的力较为复杂，因此，对桥梁设计者提出了较高要求，他们在设计之前需要对这种结构的受力特点进行充分而深入的了解。由于这种结构不仅需要承担弯矩与剪力，还要受到翘曲双力矩与扭矩的双重压力，所以，采用混凝土材料进行现浇，来抵抗扭矩的作用。

1 曲线梁桥设计计算理论

对曲线梁桥加以分析可采用以下几种理论：单纯扭转、翘曲扭转理论，夹层板法等。在桥梁建筑领域，诸多学者都专门对如何计算曲线梁桥做过论述。近些年，互联网的高速发展，计算机技术的日新月异，使得实现对它的空间计算变得不那么遥远。

曲线梁桥受力和它自身一些特征息息相关，比如说它的曲率半径R、跨径L，以及支承形式等。该领域内的专家们会根据曲线梁桥的不同结构形式，采取诸如解析法、数值法等计算方式进行计算。但是在选择什么方法来进行时，首先必须明确曲线梁桥想要采取的方法满不满足其假定条件,如此先做出判断，就可以更好地在计算的时候依据实际情况予以结构设计。

2 曲线箱梁结构受力特点

直线桥若不出现偏心荷载，就不会发生扭转而产生力矩，但是在曲线桥中，即便存在对称荷载，扭矩也在所难免，扭矩的出现让外梁承载更多荷载以致发生超载现象，而此时内梁的荷载则得到缓解，如果曲线半径恰好较小，桥面又很宽，那么内梁与外梁之间转移的荷载差距就会加大。所以，曲线桥的设计较之直线桥复杂得多，有时候会造成配筋与桥面尺寸消耗过大。内外梁所承担的荷载差别很大，如果遇到活载偏置，负反力极有可能出现在内梁上。变形在曲线桥结构中较之直线桥普遍得多，幅度也大得多，且曲线桥的曲率半径R越小，桥面越宽，变形越明显。

3 曲线箱梁结构设计要点

3.1 曲率半径的影响

主梁弯曲幅度直接影响了弯箱梁桥的受力情况，由于桥体的曲率半径无法全方位将桥体弯曲的程度反映出来，这主要是受限于半径一致的情况下，弯曲程度还会受到桥体跨径的影响，所以，主梁的弯曲幅度一般采用跨长L与曲率半径R的比值来作为计算参数，即：参数x=L/R，这个参数值就是主梁圆心角。

3.2 支承方式的设计

（1）曲线桥设计中存在很多可供参考的技巧点，比如在主梁上端与桥面连接处，选择两个点或者多个点来承受荷载的支座，这样的支承方式能提升主梁在水平方向的抗扭性,使得桥体在水平方向维稳。

（2）在结构体的墩支承处运用支承，方式多种多样，目前常用的有双柱中墩、独柱中墩、墩的顶部设置铰支座（这种情况下铰支座往往要进行偏心设置）、独柱墩顶和梁进行固结（这种情况，桥墩能承载一些来自主梁的扭矩，进而约束扭转变形）等几种。

据设计经验，当曲线梁桥面临支承方式的选择时，需要注意以下几点：

a.当桥面较宽、曲线半径均较大时，主梁的弯扭耦合作用小，这种情况下不适合设置在每个跨度之间采取独柱墩支承，选择多支座来承担支承作用，效果较好，因为这种方式可承载的抗弯矩效果明显。此外，墩柱和梁进行固结的方式也是不错的选择。

b.当桥面跨度、曲线半径均小的情况下，适合选择独柱墩，不过，选择前还要充分考虑到墩柱高度。当高度较大时，墩柱和梁进行固结的支承方式不失为最佳选择，当高度较小的时候，单点支承就足够了。

c.上述情况下，当墩柱较高，往往选择墩柱和梁进行固结来支承，这时候最好选择截面为矩形的墩柱。矩形截面的好处在于沿主梁垂直方向其抗弯刚度小，沿水平方向其抗弯刚度则很大。所以，这种选择能节省配筋，降低主梁在水平方向的扭转变形，对桥体支承效果更好。

d.受扭的跨度切忌过长。抗扭支承与抗扭支承之间跨度不适合太长。若桥体中部的墩下设置点铰支承，当发生活载偏心时，产生的扭矩会直接传递给最近的孔，孔的扭矩一一积累至梁端，梁体的抗扭支承不足以承担这些扭矩，导致整个桥体的扭矩形成了不均匀的分配，这对于结构的受力极为不利。

3.3 水平温度力特点及减小水平力的措施

热胀冷缩，混凝土发生收缩时，会引起桥体横向位移，该位移直接导致曲率半径改变，但是不会影响圆心角。当混凝土收缩，桥体产生内力，出现横向弯矩和轴向力的同时也会出现水平剪力。

（1）温度变化,桥体通常都会产生横向内力。桥面L数值越大，曲率半径R越小，受承支座对横向位移产生越大的约束力。

（2）温度变化，支座之上的梁通常发生很小的位移。因此，在进行桥体支座的设计时，最好不要固定桥体在水平方向的位移,因为，哪怕只是很小的水平位移都能极大程度地降低支座、梁体对温度力的承受能力。

（3）因为桥体的各个支座，径向约束力往往会在梁轴向切线产生分力，因此梁体内往往会产生数值较大的轴向力。

（4）同一墩台上，避免设置若干自动支座，不然墩台在水平方向就会收到较大转动力矩，这个力矩难免会将支座剪坏。

3.4 预应力筋束的设计

曲线梁桥的跨径超过20 m的情况下，预应力混凝土结构往往是常用的选择。据桥体的受力特征，不仅要承载直线桥体的剪力、弯矩，还要承载部分扭矩。如果想把抵抗这部分扭矩，通常措施分为以下几种：

（1）内、外侧腹板各根据自身特性布设线形不一的预应力束；

（2）内、外侧腹板布设统一线形预应力束，不过保持不同的张拉力；

（3）顶板、底板各布设横向曲率完全相反的抗扭钢束；

（4）预应力束布设横向径向偏心；

（5）人为将桥体中墩支承点设置为预偏心；

（6）为抵御截面内力，布设非预应力钢筋。

4 曲线箱梁结构构造要点

4.1 调整支座偏心改善曲线梁桥受力的平衡设计

在无论哪种结构体系中，都遵守平衡设计原理。结构自身必须先达到平衡，它才能让自己保持稳定，才能更好地抵抗来自外界不够稳定的荷载。如果结构自身都不能保持稳定，那么当它遇到外界不利于其稳定的荷载时，结构就会出现极大的安全隐患。对于桥体对称的结构，其自身处在平衡状态下,内力分布与桥体的变形均保持一致，即便出现微小数值差异，也可以忽略不计。当外部活荷载出现并作用给桥体时，各个梁体就会发生水平方向上的不对称位移和内力分布。因此主梁在扭矩作用下发生变形，只有当外部活载消失，主梁才能再度保持平衡。这种情况只是出现在直线桥体结构中，对于曲线梁桥，则没有这么简单。如果各个墩台的位置分布与直桥布置一致,受到来自平面上曲率的作用，曲线梁受到垂直方向自重力与预应力作用，内梁、外梁在垂直方向会产生变形。这个变形还是不均匀的，此时，主梁就会出现扭转变形，且变形幅度很大，甚至出现梁端支座间的数厘米脱空。这种情况还是指不考虑外界活荷载的情况。如果活载出现，这一变形将继续增大，若对此变形置之不理，则桥梁事故的发生将在所难免。所以，桥体的前期设计工作要充分考虑到这些影响因素，最大程度地规避这种情况，避免造成经济和人身安全的双重损失。

4.2 预应力钢束对曲线桥梁内力的影响

预应力钢束、曲线梁两者之间可组成空间受力体。在梁体横向、纵向上，预应力钢束的作用力往往可以被简化，有轴向压力和均布力两种。这个径向力的大小取决于钢束的张拉力与曲率半径比值。张拉力不变的情况下，当半径越小，径向力越大。

预应力钢束在平面上会发生弯曲，沿梁纵向上也会产生竖向弯曲。那么钢束的径向力落在什么位置往往会沿主梁纵向不断变化。如果这个作用点处在梁体界面的剪切中心上部或者下部时，径向力会产生扭转力作用于主梁，作用点在上部与在下部，产生的扭矩在方向上也是截然相反的。把这两者数值相加得到的就是钢束作用给梁体的整体扭转效果。曲线梁的结构特点决定了它通常会向外偏转。对于桥体的梁体来说，它都必然会承担弯矩和扭转作用。所以这个抵抗力的来源，主要依托于预应力钢束。

4.3 曲线梁桥其他问题及构造要求

对于曲线梁桥来说，其预应力钢束产生的径向力通常很大，当曲率半径小时这种径向力则更大。因此，在进行曲线梁桥的设计工作时，需要充分考虑到梁体的腹板内混凝土施加的压力。因为这种压力如果过大，会造成腹板崩裂、钢束崩出梁体，所以配置足够的钢筋来防止这种情况是设计时需要切记的。当桥体的曲率较大时，单纯只是调整墩柱的偏心，往往不能消除梁体因为发生扭转而产生的支座负反力，这时候就要参考扭转的方向，在梁体内外侧布设配重混凝土来实现问题的解决。

曲线梁桥的桥面宽度很小的时候，要放大箱体宽度，从而将悬臂长度缩小。这样才能更好地提升主梁自身的抗扭性能。在温度作用下，曲线梁桥发生位移，梁面发生弯曲和直线桥体发生的变化不再相同，梁端的伸缩缝这时候就需要满足可以沿垂直和水平两个方向进行伸缩，伸缩量较之同跨径的直线桥体自然要大。

钢筋的配置需要满足截面的抗扭力。箱梁的底板需要在上、下层铺设横向筋，在顶板的上、下层铺设横向筋，在腰板上配置互相搭接的箍筋，这些钢筋的配置构成矩形，以抗扭转。曲线桥的预应力会发生很大消耗，因此，需要在主梁的中部位置中增加短预应力钢束。施工的时候，需要按桥体受力特征进行设计。主梁的施工需要分段进行，未完成前它还不具备抗扭能力,因此，应在梁的分段处、支点处增设强力支架，对现浇混凝土梁要在其外侧加强支架。为避免产生裂缝，箱梁悬臂位置无须布设强力支架。