基于曲線梁橋的設(shè)計(jì)研究與分析

張海峰

沈陽(yáng)市于洪區(qū)公路管理處，遼寧沈陽(yáng) 110024

隨著城市的不斷發(fā)展，城市交通問(wèn)題在城市建設(shè)中越來(lái)越受到重視，為了緩解日益嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題，立交橋逐漸成為城市交通中必不可少的交通設(shè)施。立交橋通常受已有道路和周?chē)h(huán)境的制約以及滿足未來(lái)道路交通的需要，平面內(nèi)通常采用曲線形式。與直線橋梁相比，因?yàn)榍€梁橋彎扭處存在耦合作用，所以其在受力上更加復(fù)雜。最近幾年，頻繁出現(xiàn)的曲線梁橋整體側(cè)移甚至垮塌的事故，其主要原因就是橋梁支座布置不合理，當(dāng)然也有其他方面的一些原因。因?yàn)闃蛄褐ё牟贾脤?shí)質(zhì)上決定了全橋的計(jì)算圖式，進(jìn)而影響了全橋的內(nèi)力分布。

1 應(yīng)用梁格法進(jìn)行曲線箱梁空間分析

曲線梁橋橋型的受力特點(diǎn)與傳統(tǒng)的直線梁橋存在著很大的不同，工程師們進(jìn)行曲線梁橋的設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題有很多，例如如何確定結(jié)構(gòu)合理的支撐體系、支座位置以及活載內(nèi)力、偏心調(diào)整、偏載對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響等。設(shè)計(jì)曲線梁橋常用的計(jì)算方法主要有以下幾種：梁格系分析法、變分原理解析法和數(shù)值分析有限元法。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，梁格法憑借其易于操作和理解以及易于程序化的特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。它的基本設(shè)計(jì)思路是對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散分解，并設(shè)計(jì)一個(gè)剛度接近等效的梁格體系來(lái)代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，完成對(duì)這種等效梁格的分析后，再將分析結(jié)果還原到原結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而取得需要的計(jì)算結(jié)果。

在工程實(shí)踐中，梁格法以其高效、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)在建筑空間分析方面得到了很多應(yīng)用。梁格法用等效的梁格來(lái)模擬建筑上部的梁結(jié)構(gòu)，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，通常按縱橫兩個(gè)方向進(jìn)行配筋，并且混凝土具有較小的泊松比，依據(jù)梁格法計(jì)算出來(lái)的縱、橫兩個(gè)方向的彎矩完全可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度要求；此外當(dāng)梁格的網(wǎng)格設(shè)計(jì)的足夠密時(shí)，經(jīng)計(jì)算得出的翹曲效應(yīng)可以對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行等效的反映。梁格法在實(shí)踐中有很多應(yīng)用，例如：實(shí)體板結(jié)構(gòu)、空心板結(jié)構(gòu)、單多室箱梁結(jié)構(gòu)和異型板結(jié)構(gòu)等。

在梁格法設(shè)計(jì)中梁格網(wǎng)格的疏密程度，將對(duì)結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算精度產(chǎn)生直接影響。從理論上講，網(wǎng)格設(shè)計(jì)的越密越能反映真實(shí)結(jié)構(gòu)，但是這樣做會(huì)給工程施工帶來(lái)很大的不便。因此在工程設(shè)計(jì)中不能一味的追求反映真實(shí)結(jié)構(gòu)，而是需要在工程實(shí)踐中要找到一個(gè)既能較好的反映結(jié)構(gòu)受力特性又能在施工中方便運(yùn)用的梁格劃分原則。

梁格法以其簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)，非常適合工程技術(shù)人員來(lái)使用。但是它也存在著一些問(wèn)題，比如未能將剪力滯、扭轉(zhuǎn)以及畸變產(chǎn)生的截面翹曲等考慮進(jìn)去，所以在設(shè)計(jì)中就需要用三維程序來(lái)復(fù)核計(jì)算，來(lái)確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。實(shí)際上梁格法與三維空間程序在荷載效應(yīng)計(jì)算上是存在著一些差異的，不過(guò)差值都在20%以?xún)?nèi)。這種差異產(chǎn)生的主要原因就是，梁格法通過(guò)拆分把連續(xù)的箱型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為梁格體系，結(jié)構(gòu)的整體剛性減小，同時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配也相應(yīng)的發(fā)生了變化，此外其橫向聯(lián)系也被削弱。這就使得通過(guò)梁格法與通過(guò)三維實(shí)體有限元法分別計(jì)算出的結(jié)果有偏差。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，常用的做法是將梁格法計(jì)算出的結(jié)果乘以安全系數(shù)，以此來(lái)確保結(jié)構(gòu)安全。針對(duì)梁格法一方面無(wú)法體現(xiàn)剪力滯等效應(yīng)，另一方面無(wú)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)部的應(yīng)力分析，這些不足都需要空間程序來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)和補(bǔ)充。不過(guò)三維實(shí)體模型法需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，對(duì)其的后期處理也很煩瑣，而梁格法在模型建立階段進(jìn)行的處理相對(duì)簡(jiǎn)便易行，計(jì)算也比較簡(jiǎn)單，得出的結(jié)果也相對(duì)可靠，相比之下更適合于工程應(yīng)用。

2 橋梁支座設(shè)計(jì)

橋梁支座是橋梁上下部的連結(jié)節(jié)點(diǎn)，是橋梁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在橋梁中，一方面恒載和活載這樣的豎直荷載將使橋梁發(fā)生的豎直方向變形，另一方面如風(fēng)力、震動(dòng)力、離心力、以及溫度變化引發(fā)的混凝土收縮力等水平方向的各種荷載將使橋梁產(chǎn)生水平方向的變形。此外曲線橋彎扭處有扭矩存在，其對(duì)支座的產(chǎn)生多方向不均勻的力。當(dāng)橋梁的扭矩變大時(shí)，橋梁各支座的反力差值就會(huì)相應(yīng)變大，某些時(shí)候甚至?xí)a(chǎn)生反向的力。在進(jìn)行立交橋的匝道橋設(shè)計(jì)時(shí)，由于受跨越道路型式的限制、對(duì)美觀的要求以及其他方面的要求，很可能需要設(shè)計(jì)一些單支座獨(dú)柱墩。同時(shí)聯(lián)端的支座間距大小對(duì)梁的支座反作用力也有著較大的影響，一旦處理不當(dāng)，可能會(huì)造成支座脫空，造成嚴(yán)重的工程事故。

3 橫梁設(shè)計(jì)

橫梁在曲線橋中，不僅起到連接主梁和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)橫向剛度的作用，同時(shí)還是防止結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)確保全橋穩(wěn)定的重要構(gòu)件，合理的設(shè)置橫梁可以防止主梁截面發(fā)生形變，防止其在受力過(guò)程中被壓屈變形，利于結(jié)構(gòu)荷載的合理分布，同時(shí)更好的滿足施工和運(yùn)輸?shù)男枰?。城市中的立交橋從美觀角度出發(fā)，采用了大量的連續(xù)箱梁，在其下配有比較美觀纖細(xì)的橋墩。而為了橋梁的安全行，蓋梁通常采用暗梁，并在其下設(shè)置支座與橋墩連接。

4 曲線橋的抗震設(shè)計(jì)

曲線橋多被用于城市立交匝道或山區(qū)路段，它的一大特點(diǎn)就是一聯(lián)內(nèi)墩柱的高度相差很大，比如最高的橋墩高9m，而最低橋墩高度可能為5m。這樣的特點(diǎn)就決定了整座橋的抗震設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在橋梁支座、墩柱和支座的聯(lián)合作用等方面的設(shè)計(jì)。曲線橋橋墩型式伸縮部分采用雙柱墩，雙支座墩應(yīng)用雙柱墩，單支座墩應(yīng)用獨(dú)柱墩，而支座部分則采用板式支座。在曲線橋中，其橋墩高度的不同和自身型式的差異決定了各墩柱剛度是不同的，在制動(dòng)力、溫度力等多種水平力的綜合作用下，各墩柱的抗力相差是很大的。這就直接導(dǎo)致了在地震發(fā)生時(shí)，地震力將剛度較大的低矮橋墩直接剪壞，導(dǎo)致橋梁的垮塌，在近期發(fā)生的大地震中就發(fā)生了多例曲線橋因橋墩損毀而導(dǎo)致橋梁垮塌的實(shí)例。為了使橋墩剛度盡可能的均勻和對(duì)稱(chēng)，在工程實(shí)例中我們?cè)谶x取支座時(shí)，首先要使其滿足承載力和抗剪等方面的基本要求，在進(jìn)行墩柱與支座的聯(lián)合剛度計(jì)算時(shí)，要充分考慮墩柱與支座的聯(lián)合作用，確保各橋墩的聯(lián)合剛度基本一致，并以此來(lái)確定支座型號(hào)。橋梁抗震措施的設(shè)計(jì)也要特別注重，例如高墩中設(shè)置聯(lián)系梁、設(shè)置合理的梁端搭接長(zhǎng)度等。此外橋梁延性構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)也很重要。

在實(shí)際設(shè)計(jì)，由于曲線梁橋的受力比較復(fù)雜，要采用合理而快捷的方法進(jìn)行計(jì)算，梁格法既滿足了結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)又具有簡(jiǎn)便而易于應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。在合理劃分單元、設(shè)置縱橫梁的前提下，梁格法完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求。在曲線梁的設(shè)計(jì)中，因?yàn)闄M梁的設(shè)計(jì)、支座位置和間距等的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)都有重大的影響，所以就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)致的分析。另外，在曲線梁橋設(shè)計(jì)中還存在一些問(wèn)題，如：剪力滯的影響、彎扭問(wèn)題等，還需要在今后的工作中進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

在建成的橋梁中，存在著很多梁端內(nèi)側(cè)支座“脫空”的現(xiàn)象，主要的原因是橋梁內(nèi)側(cè)支座的反力太小，甚至出現(xiàn)負(fù)值的情況。因此我們要保證橋梁內(nèi)側(cè)支座處于受壓狀態(tài)，且具有一定的壓力儲(chǔ)備。在應(yīng)用中比較有效的方法是控制橋梁邊跨跨徑，使中跨跨徑與邊跨跨徑比較接近。當(dāng)受客觀條件限制，邊跨跨徑與中跨跨徑相差較大時(shí)，應(yīng)該采取其他措施，比如合理調(diào)整中跨與邊跨的自重等方法來(lái)達(dá)到這一要求。

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