小半径曲线桥梁设计方法分析

小半径曲线桥梁设计方法分析

摘要本文结合多年工作实践，主要介绍小半径曲线桥梁的力学特性，分析曲线桥梁存在的病害及成因，提出了小半径曲线桥梁设计应该注意事项。

关键词曲线桥梁；设计方法；特性；成因

近年来，随着经济的快速增长，城市交通的发展也越来越迅猛，由于受原有地物或地形的限制，以及城市交通功能的需要，小半径曲线桥梁在城市立交中应用越来越广泛。因曲线桥梁受力复杂，设计及施工难度大，很多建成后的曲线桥梁在运营的过程中也逐渐出现了很多病害。本文结合多年的设计经验，提出小半径曲线桥梁设计中应该注意的几点事项。

1曲线桥梁受力特性

1）梁体的弯扭耦合作用。曲线梁在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩，并且互相影响，使梁截面处于弯扭耦合作用的状态，其截面主拉应力往往比相应的直线梁桥大得多，这是曲梁独有的受力特点。曲线梁桥由于受到强大的扭矩作用，产生扭转变形，其曲线外侧的竖向挠度大于同跨径的直桥；由于弯扭耦合作用，在梁端可能出现翘曲；当梁端横桥向约束较弱时，梁体有向弯道外侧“爬移”的趋势。

2）内梁和外梁受力不均匀。在曲线梁桥中，由于存在较大的扭矩，因而通常会使外梁超载、内梁卸载，尤其在宽桥情况下内、外梁的差异更大。由于内、外梁的支点反力有时相差很大，当活载偏置时，内梁甚至可能产生负反力，这时如果支座不能承受拉力，就会出现梁体与支座的脱离，即“支座脱空”现象。

3）离心力作用。由于内外侧支座反力相差较大，使各墩柱所受垂直力出现较大差异。曲线梁桥下部结构墩顶水平力，除了与直线桥一样有制动力、温度变化引起的内力、地震力等外，还存在离心力和预应力张拉产生的径向力。因预应力钢束所具有的空间曲率，使得预应力束对于梁体将有水平径向力，这种径向力将对梁体的剪切中心产生扭转，而该扭转的存在又会使得曲线梁中产生附加的弯矩和扭矩，即在曲线梁中产生更显著的“弯、剪、扭”效应。

2现实中曲线桥梁存在的病害及成因

1）曲线梁体向曲线外侧径向整体侧移。支座布置不合理。全联支承体系抗扭能力及水平方向抗滑动能力弱。在曲线梁桥的中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，应至少设置一个中墩设置固定支座，在桥台于主梁侧面宜设置防侧滑装置。这一点主要是因为采用没有水平位移约束的活动支座时，曲线梁在汽车活载的离心力和制动力长期反复作用下容易产生主梁向曲线外侧及汽车制动力方向的水平错位，一般匝道桥都是单方向行使，所以这种作用力总是朝着固定方向。当中墩采用多向活动的盆式支座或球形支座且支座不能保证水平放置时，在主梁

纵坡的影响下，主梁易产生向下的滑动，这种滑动与汽车制动力一致时就更加剧了主梁的水平错位。这种变形如任其发展下去是十分危险的，由于主梁的偏移改变了各支承与主梁的原有位置，使主梁向外偏转倾向更加严重，主梁扭矩也在增加，严重时可使主梁滑落。

2）梁体曲线内侧支座脱空。当圆心角大于30°时仍按直线桥考虑，计算误差大。支座布置不合理。中间墩设置单支座，无抗扭能力，导致端支座承担的扭矩大，当端横梁宽度不够时，就会出现支座脱空现象。对梁体内预应力产生的扭矩缺乏足够的认识。

3）主梁横向裂缝和腹板斜裂缝。计算分析误差：相对而言箱形截面预应力混凝土梁式桥腹板的受力状况是比较复杂的。一般在整体分析时只考虑了弯曲正应力、弯曲剪应力和自由扭转剪应力，而忽略约束扭转产生剪应力和翘曲正应力、畸变应力及剪力滞效应。

4）墩梁固结处在立柱顶部（与梁底衔接处）产生水平环向裂缝。曲线桥墩墩顶水平力的分配非常复杂。在求温度零点时，曲线梁桥不能象直桥一样，只考虑一个方向力的平衡，而必须考虑两个方向的平衡；各墩顶处支座的类型和位置不一致，部分支座可能已处于临界滑移状态，其余支座还未达到临界状态；各支座的约束方向以及各墩柱不在同一平面内，使得水平力求解非常困难。

5）支架跨塌。对曲线梁的扭转对支架作用缺乏足够的认识，未考虑支架的扭转变形，导致支架的承载能力不足或失稳。

3设计注意事项

3.1计算分析

加强结构计算分析，除正常的荷载计入外，还应计入扭转产生的剪应力和翘曲正应力。优化预应力束线形，以减小扭矩。

3.2构造设计

合理布跨，可以适当控制边跨跨径，使边跨跨径与中跨比较接近。当受实际条件限制，边跨跨径与中跨差距较大时，也可考虑采取其他一些措施，比如调整边跨与中跨的自重等。有条件时尽量采用小跨径。尽量布设抗扭支座，以减小扭矩，控制支座的最小压力，也可调整墩柱偏心以消除主梁扭转引起支座负反力。若仍不能消除主梁扭转引起支座负反力时，可根据扭转方向采取在主梁内侧加配重砼的方法予以解决，也可采用拉力支座。

在曲线梁桥截面设计时，要在桥跨范围内设置一些横隔板，以加强横桥向刚度并保持全桥稳定性。在截面发生较大变化的位置，要设渐变段过渡，减小应力集中效应。

在进行配筋设计时要充分考虑扭矩效应，弯梁应在腹板侧面布置较多受力钢筋，其截面上下缘钢筋也比同等跨径的直线桥多，且应配置较多的抗扭箍筋。加强防崩钢筋设计，以防预应力束过大径向造成腹板崩裂。

合理布设单向活动支座位移方向。中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，应至少设置一个中墩多向固定支座，在桥台于主梁侧面宜设置单向活动支座或设置防侧滑装置。墩高较高或纵坡较大时应优先考虑墩梁固结。

4结语

在小半径曲线桥梁结构设计中，应根据其结构受力特点，对其进行全面的整体的空间受力计算分析，必须对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下，结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析，充分考虑其结构的空间受力特点才能得到弯扭刚度比越大，由曲率因素而导致的扭转弯形越大，因此，对于弯梁桥而言在满足竖向变形的前提下，应尽可能减小抗弯刚度、增大抗扭刚度。

参考文献

[1]杨永贤.小半径预应力混凝土曲线桥梁抗扭设计方法探讨[J].公路交通技术,2010,5:45-48.

[2]孙广华.曲线梁桥计算[M].1997.