山区曲线桥梁设计问题分析

杨方伟

（中榕规划设计有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

随着基础设施的快速发展，人员流动性大大增加，促进了交通行业的快速发展，山区曲线桥梁也得到了广泛的应用。正是因为曲线桥梁平面曲率的存在，因此设计阶段的受力分析更为复杂。相比直线梁桥，曲线桥梁在设计过程中仅考虑剪力和弯矩的影响，忽略了其他不利因素，无法满足曲线桥梁自身特性的受力需求，造成当前曲线桥梁的设计无法满足曲线桥梁的承载需求[1-5]。针对这一情况，首先，从主梁内外侧受力、挠曲变形、横向水平力和支反力方面，分析了曲线桥梁的力学特性；其次，从经济性、耐久性和安全性方面，介绍了山区曲线桥梁的设计原则，依托于某山区曲线桥梁项目，详细分析了预制梁方案、现浇连续箱梁方案和钢-混组合梁方案；最后，从结构受力、施工便捷性、经济性和耐久性方面，进行了综合对比分析，结果显示现浇连续箱梁方案具有较为明显的优势。

1 曲线桥梁的力学特性

由于曲线桥梁存在一定的曲率，在桥梁自重荷载和交通荷载作用下，桥梁结构不仅产生竖向变形，还会产生一定的扭转变形，即弯扭耦合作用。在弯扭耦合作用下，曲线桥梁的结构受力存在如下特点。

1.1 主梁内外侧受力

在弯扭耦合作用下，会在一定程度上导致桥梁外侧受力增大，内侧受力减小的问题，从而导致桥梁外侧弯曲应力增加。主梁内侧与外侧在不同荷载作用下，主梁内侧腹板与外侧腹板出现应力不均的情况，甚至会对主梁内侧支点造成较大的影响，导致桥梁结构与支座出现脱离的情况。

1.2 主梁挠曲变形

与直线梁桥一致，曲线桥梁受弯之后会发生一定的挠曲变形。与直线梁桥不同的是，曲线桥梁受到扭矩和弯矩共同作用，二者属于弯扭耦合作用，主梁截面的主拉应力远大于直线梁桥的主拉应力。主梁内外侧会出现一定的挠度差，在曲线桥梁上，表现为内侧挠度远远小于外侧挠度，且挠度差与桥面宽度呈一定的比例关系。

1.3 横向水平力

在桥梁结构自重和交通荷载作用下，导致曲线桥梁在水平方向上，产生一定的离心力。同时考虑到混凝土结构的收缩徐变情况，导致曲线桥梁产生较大程度的纵向水平力，主梁结构产生一定的横向水平力，主梁截面出现扭矩，桥墩承担一定的弯矩情况。

1.4 支反力差异

根据曲线桥梁的受力特点分析，主梁外侧曲线的弧长远远大于内侧曲线的弧长，造成主梁外侧支座的压力远远大于内侧支座的压力。当曲率半径较小时，内侧支座反力远远小于外侧支座反力，甚至出现内侧支座与桥梁分离的情况。因此在设计时，应对于内侧支座的受力情况进行最不利工况分析。

2 山区曲线桥梁设计原则

2.1 经济性合理

由于山区地形地貌较为复杂，在设计过程中，遵循就地取材的原则，同时充分考虑地形、地质条件等因素，涉及材料选取、施工方式选择和材料运输等问题。

2.2 耐久性良好

根据桥梁设计规范，当前桥梁设计年限一般在100 年左右。因此，在山区曲线桥梁设计过程中，需要在保证桥梁承载能力的前提下，采取有效措施，确保桥梁结构的耐久性。例如，增加钢筋、选择耐久性混凝土、加大保护层厚度等设计措施，尽量提高和确保山区曲线桥梁设计的耐久性。

2.3 安全性可靠

由于山区的地形较为复杂，因此在山区曲线桥梁设计过程中，应充分考虑地形坡度、溶洞、泥石流和滑坡等地形地貌，同时降水量和气温变化也会对桥梁结构产生较大的影响。同时，应充分考虑影响结构承载的所有因素，在确保承载能力的前提下，采取各种措施，避免桥梁结构在外界影响下发生破坏事故。

3 方案比选分析

3.1 工程概况

某穿越山区的桥梁，平曲线半径R=75.0m，桥梁宽度W=9.0m，最大纵坡为4.0%，桥面横坡为4.0%，桥墩最大高度为39.0m。对于高墩和小半径桥梁，多采用现浇混凝土连续箱梁结构。由于桥墩较高，采用支架工程的风险较大，施工困难较大。

3.2 设计方案分析

针对上述情况，在设计阶段，需要对预制梁方案、现浇连续箱梁方案和钢-混组合梁方案，从施工、结构受力、经济性和耐久性方面进行综合分析，确定最优的桥梁设计方案。

3.2.1 预制梁方案

关于预制梁方案，采用工厂预制，运输至现场后，采用吊装施工。由于不需要搭设支架，具有施工速度快、费用低和施工风险小的特点，因此在高墩桥梁施工中得到了较为广泛的推广应用。

虽然，高墩桥梁采用预制梁方案具有较多的优点，但是多应用于平曲线半径不小于200.0m 的曲线桥梁。对于平曲线半径仅为75.0m 的曲线桥梁，如果采用预制梁方案则会存在诸多问题，具体如下：

（1）平曲线半径为75.0m，主梁内外侧梁长差别较大，高达2.3m，主梁跨中挠度不同，极易造成桥面不平顺，甚至出现主梁开裂的病害。由于各梁在梁端端头处的角度差别大，也会在较大程度上造成梁体预制及隔板湿接缝施工困难。

（2）由于平曲线半径较小，主梁内外侧弦弧差别较大，高达75.5cm，导致预应力钢束对于主梁结构的横向偏心较大，结构上缘的拉应力过大。

（3）采用架桥机架设。由于曲线半径过小，导致架桥机喂梁、过孔施工较为困难。

（4）由于平曲线较小，导致护栏呈折线形，行车视觉诱导性较差，极易造成安全事故。预制梁方案示意图如图1 所示。

图1 预制梁方案示意图

3.2.2 现浇连续箱梁方案

根据桥梁上部结构的设计指导原则，现浇连续箱梁适用于平曲线半径小于200.0m 的桥梁结构。对于高墩小半径的曲线桥梁，由于支架施工风险较高，采用钢管桩支架可以大大减小施工风险。以下针对现浇连续箱梁方案进行分析。

现浇连续箱梁方案可以适当增加桥梁跨径，桥梁整体的外观较为优美。该桥梁桥墩高度H=39.0m，上部结构可采用3×25m 桥跨组合，其中每一孔可采用3组钢管桩支架进行支架现浇施工。其中，现浇连续箱梁截面如图2 所示。

图2 现浇连续箱梁方案截面示意图

现浇连续箱梁的小半径结构也具有自身结构的劣势，如预应力钢束引起的径向力会造成主梁结构内外侧的支座反力较大，甚至造成内侧支座脱空；箱梁过大的扭矩造成结构裂缝，甚至影响主梁结构的承载能力。

3.2.3 钢-混组合梁方案

钢-混组合梁结构，是开口钢箱梁和混凝土桥面板通过剪力键进行连接的组合结构。因为组合结构能够充分发挥钢材抗拉和混凝土抗压的特点，具有自重轻、跨越能力强、抗扭刚度大和高度低等优点，同时施工周期较短，因此得到了较为广泛的应用。

对于钢-混组合梁桥的施工工艺，目前多采用临时支架法和顶推法施工工艺。作为钢-混组合梁桥最为常见的施工工艺，临时支架法往往在拼接处设置临时支架，分段吊装就位后，采用栓接连接形成整体。顶推法要求箱梁高度一致，平曲线和竖曲线为同一曲率，一般的曲线桥梁无法满足顶推法施工的工艺要求，因此钢-混组合梁桥的施工多采用少支架法。

该桥梁上部结构采用3×35m 钢-混组合梁桥，单箱双室截面，钢板梁采用Q345 钢材，顶板采用C50 现浇混凝土板，下部结构采用板式桥墩，钻孔灌注桩基础。钢-混组合梁断面如图3 所示。

图3 钢-混组合梁断面示意图

钢-混组合梁桥的桥面板纵桥向采用A 类预应力设计。采用工厂加工制作钢箱梁，然后运输至现场；拼装完成后，整体浇筑桥面板；张拉预应力后，拆除临时支架；最后完成桥面附属设施施工。

由于结构受力和抵消混凝土桥面板收缩徐变的影响，需要在桥墩墩顶施加一定的预应力，在边墩支座中产生一定的负反力，可以通过在边墩支座上浇筑混凝土压重解决。

3.3 方案比选

关于预制梁方案、现浇连续箱梁方案和钢-混组合梁方案的合理性和适用性，以下从结构受力、施工便捷性、经济性和耐久性方面综合考虑。

3.3.1 结构受力

从结构受力方面考虑，3 种方案的结构受力均能满足承载要求，尤其是钢-混组合梁结构能够充分发挥钢材和混凝土的材料性能，适用性更强。

3.3.2 施工便捷性

从施工便捷性方面考虑，预制梁方案由于平曲线半径较小，导致模板种类繁多，但采用架桥机架设，无须搭设支架，因此施工便捷性最好。现浇连续箱梁方案和钢-混组合梁方案均需要搭设支架。相比现浇连续箱梁方案，钢-混组合梁方案临时支架较少，且直接承载要求不高，风险较小，施工更为便捷。现浇连续箱梁方案需要搭设满堂支架或者采用钢管桩方案，针对该桥梁，钢管桩方案是最优方案，支架风险性较高。

3.3.3 经济性

从经济性方面考虑，预制梁方案的经济性最好，现浇连续箱梁方案的经济性稍差，钢-混组合梁方案的经济性最差。

3.3.4 耐久性

从耐久性方面考虑，预制梁方案和现浇连续箱梁方案的耐久性较好，且全寿命周期的维护费用较低；钢-混组合梁方案的耐久性略差，且钢箱梁对于运营环境的湿度要求较高，养护费用略高。

从结构受力、施工便捷性、经济性和耐久性方面综合考虑，现浇连续箱梁方案最优，因此设计建议采用此方案。钢-混组合梁方案虽然在经济性和耐久性方面不占优势，但是其在高地震烈度区具有较强的竞争力，得益于其质量轻、地震力小，可以有效减小下部结构的尺寸和配筋。

4 设计要点分析

对于山区曲线桥梁，除了结构受力，山区曲线桥梁的基本尺寸和支座布置与直线梁桥也存在较大差异，以下进行详细分析。

4.1 基本尺寸

4.1.1 顶底板尺寸问题

曲线桥梁的顶板厚度应控制在18～30cm，在跨中位置的底板厚度应控制在15～25cm。在桥墩位置的顶、底板厚度应大于跨中位置，为后续布置预应力束提供空间。

4.1.2 腹板厚度

现浇连续箱梁的腹板厚度，不仅取决于腹板承担剪力，还取决于预应力束的布置，厚度应控制在40～50cm。在支点附近的腹板应适当加厚，有利于满足腹板预应力束平弯和锚固的要求。

4.1.3 翼缘板尺寸

对于曲线桥梁翼缘板的尺寸，应进行严格控制。宽度过大，会造成剪力滞现象较为明显，在一定程度上增加了结构计算分析的难度；宽度过小，则会降低截面设计要求。因此设计时，应适当增加翼缘板的宽度，优化主梁承担的弯矩。

4.2 支座布置

对于山区曲线桥梁，支座布置与直线梁桥存在一定的区别，以下进行详细分析。其一，可在中间跨设置铰支座，在端头位置设置具有一定剪切位移的抗扭支座。其二，除了在端部、中间位置设置抗扭支座，在其他位置可考虑设置铰支座。其三，为了优化曲线桥梁扭矩，中心位置铰支座可做一定的偏心处理，有助于提高曲线桥梁的抗扭转能力。

5 结语

随着山区高速公路的快速发展，小半径曲线桥梁得到了一定的推广应用，但需要对其结构受力、施工便捷性、经济性和耐久性进行进一步研究。在分析山区曲线桥梁结构受力特性的基础上，从经济性、耐久性和安全性方面提出了山区曲线桥梁的设计原则。基于某山区曲线桥梁项目，从预制梁方案、连续箱梁方案和钢-混组合梁方案进行了设计分析，对比分析了预制梁方案、现浇连续箱梁方案和钢-混组合梁方案，结果显示现浇连续箱梁方案综合优势较为明显。