曲線梁橋的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

劉烈恒

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司)

0 前言

近年來，隨著公路和建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，涉及到曲線梁的橋梁設(shè)計已經(jīng)越來越多了，以往設(shè)計者希望通過調(diào)整路線方案，盡量避開這種結(jié)構(gòu)形式，或由于曲線半徑較大，采用以“直”代“曲”的形式，在橋梁上部(如翼緣、護欄等)進行曲線調(diào)整，以期達到與路線線形一致。這些嚴格意義上說都不是曲線橋。由于受原有地物或地形的限制，一些城市的立交橋梁和交叉工程的橋梁曲線半徑比較小，橋墩基本上要設(shè)在指定位置，這種情況下只能考慮設(shè)計曲線梁橋。

1 曲線橋梁的分類

從平面形狀來看，曲線梁橋大多數(shù)位于圓曲線上，有時也會位于緩和曲線上也有時位于兩個同向圓或兩個反向圓相接的圓曲線上，根據(jù)孔跨布置和地面構(gòu)筑物的要求，曲線梁橋有時分為扇形曲線梁橋或斜交曲線梁橋，由于斜交曲線梁橋受力更復(fù)雜一些，設(shè)計者往往盡量采用扇形曲線梁橋，且伸縮縫設(shè)置沿圓曲線徑向方向設(shè)置;從孔跨布置來看，一般單跨采用簡支梁橋，多跨則采用連續(xù)曲梁。由于曲線半徑較大，也可考慮采用變截面形式，這種形式在直線梁橋中應(yīng)用較多，外觀效果效好;從施工方法來看，直線梁橋施工方法在曲線梁橋中都可以采用，現(xiàn)澆、懸臂施工、頂推以及懸拼都在彎橋梁施工中應(yīng)用，但因彎梁橋結(jié)構(gòu)尺寸較多，不一致性較大，鋼筋也較復(fù)雜，故我國目前大多數(shù)還是采用支架現(xiàn)澆法施工。

2 曲線梁橋的力學(xué)特征

曲線梁橋能很好地克服地形、地物的限制，可以讓設(shè)計者較自由地發(fā)揮自己的想象，通過平順、流暢的線條給人以美的享受。但是曲線梁橋的受力比較復(fù)雜。與直線梁相比，曲線梁的受力性能有如下特點。

(1)軸向變形與平面內(nèi)彎曲的耦合。

(2)豎向撓曲與扭轉(zhuǎn)的耦合。

(3)它們與截面畸變的。

其中最主要的是撓曲變形和扭轉(zhuǎn)變形的耦合。曲梁在豎向荷載和扭距作用下，都會同時產(chǎn)生彎距和扭距，并相互影響。同時彎道內(nèi)外側(cè)支座反力不等，內(nèi)外側(cè)反力差引起較大的扭距，使梁截面處于“彎-扭”耦合作用狀態(tài)，其截面主拉應(yīng)力比相應(yīng)的直梁橋大得多。故在曲線梁橋中，應(yīng)選用抗扭剛度較大的箱型截面形式。

3 曲線梁橋的空間結(jié)構(gòu)分析方法

常用的曲線梁橋空間結(jié)構(gòu)分析方法可分為：(1)空間梁單元法;(2)板殼元法;(3)三維實體元法;(4)梁格分析法。

3.1 空間梁單元法

(1)橫截面尺寸與跨度相比很小，即可將實際結(jié)構(gòu)視作為位于剪切中心上的彈性梁單元。

(2)平截面假定，即變形前的平截面變形后仍保持平截面。

(3)剛性截面假定，即變形后梁截面周邊形狀不彎(無畸變)。

(4)截面剪切中心線與梁截面形心軸線相重合。

3.2 梁格法

梁格分析法是用計算機分析橋梁上部結(jié)構(gòu)比較實用有效的空間分析方法，它具有基本概念清晰、易于理解和使用等特點，因此在橋梁結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的采用。它是將結(jié)構(gòu)原型模擬成便于計算機分析的等效梁格，通過對等效梁格的分析，得到結(jié)構(gòu)原型的力學(xué)性能和內(nèi)力情況。由于梁格能較好地模擬原結(jié)構(gòu)的空間受力性能，而且便于計算機分析，因此廣泛用于各類橋梁的分析中。它不僅適用于板式、梁板式及箱梁截面的上部結(jié)構(gòu)，而且對分析彎、橋特別有效。

3.3 板殼元法

眾所周知，有限元法是把原型的連續(xù)體分割成許多細小的單元，在稱為節(jié)點的離散點處連續(xù)起來分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法。結(jié)構(gòu)劃分為簡單單元的基本原理可以應(yīng)用到所有形狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)上，理論上講，它可以分析任何復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土橋梁通常做成空間箱形結(jié)構(gòu)，采用板、殼單元進行離散，當(dāng)板殼單元相當(dāng)細密時，可以包括橋梁結(jié)構(gòu)的各種受力行為，如彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形和局部變形。由理論計算和試驗可知，用板、殼單元法與空間梁單元法相比，變位基本一致。

3.4 三維實體元法

橋梁結(jié)構(gòu)分析過程中，對受力復(fù)雜部位有時需要知道結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力狀態(tài)，以進行結(jié)構(gòu)的合理配筋設(shè)計。如橋梁結(jié)構(gòu)承臺、斜拉橋塔柱及主梁錨固區(qū)段、系桿拱橋拱梁連接結(jié)構(gòu)、懸臂梁橋梁端牛腿等。對此類結(jié)構(gòu)的局部分析可以從整體結(jié)構(gòu)中取出隔離體按整體分析得到的隔離體截面內(nèi)力或位移條件作為隔離體邊界條件，采用三維實體元進行子結(jié)構(gòu)分析。實體元可以采用四面體進行局部分析時，隔離體的大小、內(nèi)力、位移邊界條件等因素對分析結(jié)果影響很大，這里不再詳述。

4 設(shè)計方法

4.1 設(shè)計參數(shù)的選定

在橋梁設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)路線線型的要求確定梁橋的平曲線形狀，選定平曲線要素再根據(jù)橋梁的使用要求和《公路工程技術(shù)規(guī)范》，確定彎梁橋的超高及加寬值，進而確定梁橋在直線段、圓曲線段和緩和曲線段和橋面凈寬和超高形式，進行梁橋的橫截面布置。在一般情況下，直線段的橫截面布置與路線行車道相同。

4.2 橋型的確定

在曲梁橋中，應(yīng)用較廣的是連續(xù)梁和簡支梁。受曲線線型的限制線，連續(xù)彎梁橋一般選用箱梁(附加異性邊板)為最佳方案。

4.3 平面線型的布置

(1)常用板梁平面布置法。

各墩臺平行布置。各墩臺與路線交角不相同。各墩臺蓋梁上的支座位置也不一樣，幾何及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜。在曲線半徑較大、橋長較短時較為適用。

各墩臺與路線交角相同，下部結(jié)構(gòu)及幾何體設(shè)計較為簡單，橋梁較長時較為適用?？衫矛F(xiàn)澆梁端長度或連續(xù)梁現(xiàn)澆中橫梁變寬來調(diào)整預(yù)制梁長度，使得預(yù)制梁長度保持一致。

(2)預(yù)制空心板梁的布設(shè)方法。

①位于曲線上的橋梁，當(dāng)路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內(nèi)的曲線矢高Hs5 cm時，按直橋設(shè)計，采用將橋梁中心線向曲線外側(cè)平移Hs/2的平分中矢法調(diào)整橋梁平面線形，護欄按曲線設(shè)置。

②位于曲線上的橋梁，當(dāng)路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內(nèi)的曲線矢高Hs＞5 cm時，按折線布孔，原則上從橋梁中心樁號向兩側(cè)敷設(shè)，以曲線內(nèi)側(cè)弦長為標準跨徑按折線布置。

(3)離心力的考慮

當(dāng)彎梁橋的曲率半徑p＞250m時，可以不計離心力的作用;當(dāng)p≤250m時，必須計入離心力對結(jié)構(gòu)物受力的影響。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》：離心力的作用點可直接移至橋面，但對“獨柱墩式”的彎梁橋結(jié)構(gòu)，作此簡化是偏于不安全的。因此在設(shè)計時，建議離心力以如下方法考慮;先將離心力Fc移至橋面上，并采用力矩Mc代替外轉(zhuǎn)矩，或再將Mc用豎直力表示，則Fcv=Mc/a。

5 結(jié)束語

在進行曲線梁橋計算時，應(yīng)充分考慮橋梁寬度的因素。在車輛荷載的偏載作用下，寬曲橋梁的扭轉(zhuǎn)作用明顯加劇。根據(jù)《公路工程技術(shù)規(guī)范》的線型要求，掌握曲線梁橋的設(shè)計計算方法具有廣泛的實用意義。

［1］ 邵容光.混凝土彎橋梁［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［2］ 孫廣華.曲線橋梁計算［M］.北京：人民交通出版社，1997.

［3］ 黃劍源，謝旭.城市高架橋的結(jié)構(gòu)理論與計算方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.