基于獨柱支承的曲線匝道橋梁設計

高代強 耿傳鵬

（西安中交遠洲工程勘察設計有限公司，陜西 西安 710065）

建設階段和使用階段，通常比較重視橋梁使用年限期間安全問題，在建設階段容易忽視橋梁所面臨的各種相關的結構強度，安全，和穩(wěn)定問題。在二十世紀60年代以前，傳統(tǒng)的搭材為圓木、方木、萬能桿等重型鋼木材料，用這些材料不做計算和設計，但要用掉大量木材和鋼材，一般也能滿足穩(wěn)定性要求，工作量和耗資都比較大。事實上，橋梁在其使用年限中，在施工過程中，很少遇到設計中的最大荷載，常因支撐承載力不足，而引發(fā)意外的倒塌事故。60年代以后，隨著各種新型鋼管腳手架的出現，特別是近幾年來，工程上逐漸采用了鋼管支架支撐。由于受地形，匝道的設計往往受到多種因素限制。地物和占地面積的影響，曲線梁橋在公路立交中應用已非常普遍。這就決定了匝道橋具有以下特點，所以匝道橋的寬度比較窄，匝道有別于主干道，一般匝道多為一或兩車道。由于匝道用來實現道路的轉向功能，尤其在匝道設計中應用最廣。在曲線梁橋下部結構設計時，所以匝道橋多為小半徑的曲線梁橋。為改善下部結構布局、減少占用土地、增加視野和橋形美觀，在大型立交中匝道的規(guī)模有時也在增大，其下部墩往往往采用獨柱支承方式。匝道橋往往設置較大縱坡，有時還需跨越主干道，匝道不僅跨越下面的非機動車道，這就增大了匝道橋的長度。必須對其結構受力特點有充分的了解，所以在設計過程中，這種形式的曲線梁橋受力狀態(tài)較為復雜，全面綜合考慮各種因素對主梁及墩柱的不利影響。

1 獨柱支承橋梁結構受力特點

曲線梁橋受力特點，由于主梁的平面彎曲使得下部結構墩，是相對于直橋而言的，往的支承點不在同一條直線上，但是在曲線梁橋中，從而造成曲線梁橋的受力狀態(tài)與直橋有著很大差別。由于自重和預應力荷載作用，預應力鋼束徑向力產生的扭轉作用相當大。所產生的扭矩和扭轉變形是不容忽視的，構成了其獨有的受力特點，在主梁自重和預應力鋼束作用下，對直橋而言，由于荷載是對稱的，在大曲率、較大跨徑的曲線梁橋中，對主梁并不產生扭矩和扭轉變形。主梁組合最大扭矩值有時，由于橋梁下部結構采用獨柱支承方式，可達縱向最大彎矩值的50%以上。由于主梁的扭轉傳遞到梁端部時，因此交承點的位置對結構受力尤為重要。會造成端部各支座橫向受力分布嚴重不均，此外由于獨柱支承的曲線匝道橋梁中間支點，甚至使支座出現負反力?？古つ芰θ?，以增加橋梁的整體穩(wěn)定性。所以必須在橋梁兩端部設置抗扭支承，還有汽車荷載的偏心布置及其行使時的離心力，并增加主梁扭矩和扭轉變形。也會造成曲線梁橋向外偏轉，必須結合自重，對其在承受縱向彎曲，預應力和汽車活載等荷載，扭轉和翹曲作用下，充分考慮其結構的空間受力特點，進行詳細的受力分析，才能得到安全可靠的結構設計。綜合以上，故在獨柱支承的曲線匝道橋梁結構設計中，曲線梁橋受力特點，只采用橫向分布簡化計算方法，應對其進行全面的整體的空間受力計算分析，不能滿足設計要求。

2 支承方式對內力分布影響

曲線梁橋的不同支承方式，根據其結構受力特點一般采用的支承方式，對其上、下部結構內力影響非常大，采用兩點或多點支承的支座，在曲線梁橋兩端的橋臺或蓋梁處，這種支承方式可有效地提高主梁的橫向抗扭性能，在曲線梁橋的中墩支承處，保證其橫向穩(wěn)定性?？刹捎玫闹С行问胶芏啵瑧鶕淇鐝?、平面曲率、墩柱截面和墩柱高度及預應力鋼束作用力，對于中墩支反力接近或超過10000kN，不同來合理地選用支承方式。曲線梁橋可采用單向，墩頂采用方板或圓板橡膠支座，多向活動或固定的盆式支座或球型支座。這種方式適用于中墩支反力10000kN 以下曲線梁橋梁，對梁有較弱的扭轉約束，板式橡膠支座能夠提供一定的抗扭能力，水平方向容許有剪切變形。這種支座可根據，但是這種支座對主梁的扭轉沒有約束，受力需要固定或放開某方向的水平約束，根據以往的曲線梁橋設計經驗，這時主梁在橫向和縱向可自由扭轉。對于輕寬的橋和曲線半徑較大的曲線梁橋，橋體寬要求主梁增穩(wěn)定性，由于主梁扭轉作用較小，故在中墩宜采用，可采用墩柱與梁固結的支承形式。具有抗扭較強的多柱或多支座，采用雙柱中墩，或在選用矩形寬柱上設置雙點支承。對于輕窄的橋和曲線半徑較小的曲線梁橋，這方式對主梁可提供較大的扭轉約束。由于主梁扭轉作用的增加，主梁橫向扭矩和扭轉變形很大。尤其在預應力鋼力的作用下，在中墩可采用墩柱與梁固結的結構支承形式。在中墩可采用具有較弱抗扭能力的單點支承的方樣，由于橋窄因此易柱墩，可有效降低墩柱的彎短和減小主梁的橫向扭轉變形。但在選用支承結構形式，這兩方式都需對橫向支座偏心進行調整。應視墩柱高度不同而確定，我國現行的橋梁規(guī)范，經過對幾座曲線梁橋破壞的分析，還未對曲線梁橋最大扭轉變形作的規(guī)定。在設形梁橋時，為保證其安全，最大扭轉變形值加以控制。

3 調整支座改善曲線梁橋平衡設計

3.1 平衡設計

平衡設計的原理適用于任何結構體系，這樣它才會處于最穩(wěn)定狀態(tài)，一個結構首先要到達自身的平衡。才有能力抵抗更不穩(wěn)定的活荷載，對于曲線梁橋，如果中間各墩的支承位置，情況就不一樣了，也像直橋那樣布置在橋梁中線上。由于平面曲率的影響，內外梁會產生向上或向下的不均勻變形，曲線梁在自重和預應力荷載作用下，也就是說會使主梁發(fā)生扭轉變形，是用肉眼能直接觀察到的變形，實踐證明這種變形是相當大的，有的可使梁端部支座脫空幾厘米。反之，再遇到不利的活荷載，當結構本身就處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)時。雖然有足夠的抗扭配筋，在活載作用下這種變形會加大，結構的安全性就會受到挑戰(zhàn)，對這種結構如不進行處理，也會造成重大橋梁事故。但是這種情況，其中最經濟而又有效的方法，可在設計時采取措施加以避免，就是調整中間交座的橫向位置，以使曲線梁達到類似直梁的平衡狀態(tài)，使支座向與曲梁扭矩相反的方向偏移一定的距離。

3.2 遵循原則

支架支撐形式的選擇不是任意的，還要考慮施工要求和施工經驗，除了支撐本身的特點外，確保桿部件連接節(jié)點規(guī)范，工作可靠。傳力明確，發(fā)展系列化配套產品，使立桿盡可能的承受軸心荷載，以適應不同應用場合和荷載情況的要求。避免或減少荷載的偏心作用，用水平桿和斜桿承受水平力。支架支撐系統(tǒng)的承載力，取決于結構形式，桿件的承載力和節(jié)點性能，以及整體的穩(wěn)定性。若受力不明確，就難以對其安全可靠性做出科學的判斷。包括節(jié)點的工作狀態(tài)，用加強整體連接件確保支架支撐的整體穩(wěn)定性。通過采用定型的桿配件，即受荷后產生過大的水平變位。一般水平桿件定型、實現支架構造尺寸的規(guī)范化，垂直和角變位。減少搭設的隨意性，立桿任意且桿部件控制在12 種之內。

結論

綜合以上，充分考慮其結構的空間受力特點，進行詳細的受力分析，才能得到安全可靠的結構設計。故在獨柱支承的曲線匝道橋梁結構設計中，曲線梁橋受力特點，只采用橫向分布簡化計算方法，應對其進行全面的整體的空間受力計算分析，影響曲線梁橋結構的因素很多，還有很多難題尚有待進一步研究。

[1] 邵容光.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社，1997.5.

[2] 孫廣華.曲線梁橋計算[M].北京:人民交通出版社，1998.11.

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