曲线连续梁桥的结构设计

曲线连续梁桥的结构设计

曲线梁桥是高速公路和城市立交中普遍应用的一种桥型。文章根据曲线梁桥的结构受力特点，论述了曲线梁桥在施工及成桥运营阶段出现病害的原因，论述了曲线梁桥在设计中应注意的问题，并提出了该类型桥梁设计中的一些经验做法和解决方案。

标签：曲线梁桥；结构设计；受力特点

1 概述

目前在高等级公路及城市立交中曲线梁桥的应用得到了普遍的认可，尤其在城市立交匝道设计中最为广泛。曲线梁桥的设计中常采用箱型截面，因其具有材料用量少、结构自重小、抗扭刚度大、整体稳定性好、截面应力分配合理等优点，而在曲线梁桥中应用非常普遍。

现阶段曲线梁桥的设计和理论研究已经取得了很多成果，但由于曲线梁桥结构受力复杂、施工过程中标高不能准确的控制，由于设计的原因导致在项目的施工或使用过程中已多次发生过事故。常见问题主要为：曲梁内侧支座脱空；主梁横向侧移量过大；横向刚度不足引起扭曲变形；固结墩墩身开裂；梁体的外移和翻转进一步导致支座、伸缩缝的剪切破坏和平曲线超高的丧失等。故在曲线梁桥的设计与施工过程中应充分考虑结构的弯、剪、扭受力特性，对结构内力进行准确分析及合理优化，消除设计带来的不安全隐患。

2 曲线梁桥受力特点

2.1 “弯-扭”耦合作用

曲梁由于自身及外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩，并且相互作用。表现为曲梁内外侧尺寸不同、支座反力不等、外荷载偏心及预应力径向作用共同引起较大的扭矩，使梁截面处于“弯-扭”耦合作用的状态，其截面主拉应力比相应的直梁桥大得多，这是曲梁所独有的受力特点。

在变形方面，强大的扭矩作用致使曲线梁桥产生扭转变形；曲线外侧的竖向挠度要大于同等跨径的直桥；由于“弯-扭”耦合作用，在梁端可能出现“翘曲”；当梁端处横桥向约束较弱时，梁体有向曲线外侧“爬移”的趋势。

在受力方面，由于存在较大的扭矩，通常会使外梁超载、内梁卸载，尤其当活载偏置时，内侧支座甚至会出现负反力，如果支座不能承受拉力，就会出现梁体与支座发生脱离的现象，即“支座脱空”现象，这种现象在小半径的宽桥中特别明显。

2.2 下部墩台受力复杂

曲梁内外侧支座反力相差较大，导致各墩柱所受垂直力有较大差异。曲线桥墩顶水平力不仅由制动力、温度变化引起的内力、地震力等产生外，还有汽车离心力和预应力张拉产生的径向力，这也是比直线桥墩顶受力复杂之处。

故在曲线梁桥结构设计中，应进行全面的三维空间受力分析，只采用横向分布等简化计算方法，不能满足设计要求。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保证结构设计的安全性。

3 曲线梁桥的结构设计

直线梁桥在设计中主要考虑梁的“弯、剪”作用，而曲线梁桥结构处于“弯、剪、扭”的复合受力状态，故桥梁整体要以抵抗复合受力状态进行结构设计，并在构造设计中加强抵抗措施。

3.1 弯扭刚度比

曲线梁桥的弯扭刚度比对结构的受力状态和变形状态有着直接的关系：弯扭刚度比越大由曲率因素而导致的扭转变形越大。故在曲线梁桥设计时，满足曲梁竖向变形的同时，应尽可能减小抗弯刚度、增大抗扭刚度，来抵抗对整体结构产生的不利影响。所以在曲线梁桥中，抗扭惯矩较大的箱形截面和低高度梁的应用最为广泛。

3.2 截面设计

曲线箱梁桥截面设计时，要在桥跨范围内设置一些横隔板，并且要比相应的直梁桥有所加强，增加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。

3.3 预应力钢束及配筋设计

合理分配曲线梁轴线两侧预应力钢束的根数，使预应力等代荷载形成的内扭矩消减曲梁在自重、恒载作用下产生的扭矩；调整预应力钢束锚下控制应力，构成预应力束应力的偏心，形成内扭矩来调整曲线梁扭矩分布。

考虑扭矩对整体结构的影响，曲线梁不仅应在腹板侧面布置较多受力钢筋，而且其截面上下缘钢筋也比同等跨径的直桥多，同时配置较多的抗扭箍筋。

3.4 下部支撑方式的选用

曲线梁桥下部支撑方式的选取，直接影响桥梁整体结构内力的分布情况。对于曲线梁桥，中间支承一般分为两种类型：抗扭型支承和单支点铰支承。根据以往的设计经验下部支撑方式的选用可参照以下原则：

3.4.1 对于宽度较宽、曲线半径较大的曲线梁桥（桥宽B>12m、半径R>100m），主梁所受的扭转作用小、桥体宽度较大及横向连接来增加横向的稳定性，故在中墩位置采用具有抗扭较强的多柱或多支座的支承方式，亦可采用墩柱与梁固结的支承形式，即抗扭型支承。

3.4.2 对于宽度较窄、曲线半径较小的曲线梁桥（桥宽B≤12m、半径R≤100m），主梁所受扭转作用大，尤其是预应力钢束径向力作用所产生的主梁横向扭矩，导致扭转变形很大。由于桥窄因此宜采用独柱墩，但应视墩柱高度的不同来选用支承结构形式。较高的中墩可采用墩柱与梁固结的结构支承形式，较低的中墩可采用具有较弱抗扭能力的单点支承的方式。这样可有效降低墩柱的弯矩和减小主梁的横向扭转变形。但这两种支承方式都需对横向支座偏心进行调整。

3.5 墩柱截面的合理选用

正如以上所述，当采用墩柱与梁固结的支承形式且墩柱较矮的情况下，宜采用矩形截面墩柱。因为矩形截面沿主梁纵向抗弯刚度较小，而沿主梁横向抗弯刚度较大，这样不仅减小了主梁横向扭转变形，而且较少了墩柱的配筋。针对整体结构的受力特点拟定构造和配置钢筋，使整个设计更加合理安全。

3.6 支座形式的合理选用

根据以上所介绍的结构受力特点及设计中的经验做法来选取相对应的支座类型，具体如下：

3.6.1 曲线连续梁桥选用中墩支座时，尽可能横桥向位移固定，限制主梁横向侧移，可采用盆式或普通板式橡胶支座。

3.6.2 当桥长大于100m时，梁端支座可采用盆式橡胶支座及带有横桥向位移固定装置的四氟板橡胶支座，保证桥梁顺桥向自由滑动、横桥向位移固定；当桥长小于100m时，梁端支座可以采用普通板式橡胶支座。对于曲线梁桥支座设计，选用“梁端设普通板式橡胶支座、所有中墩设横桥向自由滑动的盆式支座”是非常危险的，应引起设计者的重视。

3.6.3 当曲线梁桥较宽时，桥梁整体升降温变化在墩顶产生的横桥向水平力会较大，尤其是当所有中墩支座均为横桥向位移固定时，水平力增加更为明显，整体计算时应关注水平力变化情况。

4 结束语

曲线梁桥由于其结构受力的特殊性，较同等跨径的直梁桥要复杂得多，因此在进行设计和计算时应引起足够的重视。通过对曲线梁桥结构受力特点的分析及设计中存在问题的总结，并提出了曲线梁桥设计中的一些经验做法和解决方案，对同类桥梁的设计具有一定的参考价值。