浅谈曲线桥梁设计

浅谈曲线桥梁设计

摘要：随着我们国家社会经济的不断发展，交通事业正处于快速发展阶段。因此曲线梁的桥梁设计应用越来越广泛，以往设计人员希望通过调整路线方案，尽量避开这种结构形式，或由于曲线半径较大，采用以“直”代“曲”的形式，在桥梁上部进行曲线调整，以达到与路线线形一致。这些严格意义上说都不是曲线桥。笔者根据工程实际的情况，通过本文对于小半径曲线桥存在几个问题，提出一些切实可行的处理方法，以供大家参考和借鉴。

关键词：桥梁设计；支座脱空；箱梁抗扭

随着我们国家社会经济的不断发展，交通事业正处于快速发展阶段。因此曲线梁的桥梁设计应用越来越广泛，以往设计人员希望通过调整路线方案，尽量避开这种结构形式，或由于曲线半径较大，采用以“直”代“曲”的形式，在桥梁上部进行曲线调整，以达到与路线线形一致。这些严格意义上说都不是曲线桥。由于受原有地物或地形的限制，一些城市的立交桥梁和交叉工程的桥梁曲线半径比较小，桥墩基本上要设在指定位置，这种情况下只能考虑设计曲线梁桥。曲线梁由于增加了恒载偏载、活载偏载、离心力、温度效应的平面影响等多种复杂荷载工况，其受力非常复杂，以致出现支座脱空、桥墩开裂、箱梁梁体横向爬移等病害，甚至出现过桥梁垮塌的严重事故。因此在设计过程中重视小半径曲线梁桥受力特点，有针对性地采取措施尤为重要。

一、支座脱空工程实际事例及处理方法

某互通式立交工程的桥孔布置为4×(4×30)=480m，共计16孔，等截面预应力混凝土连续梁。箱梁采用单箱单室截面、等高度腹板，跨中设置了一道中横隔梁。本桥平面处于一个R=400m的右偏圆曲线开始，中间一个R=125m的左偏圆曲线和一个R=400m的右偏圆曲线终止，其终点以及圆曲线之问采用缓和曲线连接。上部结构预应力混凝土箱梁左右腹板为等高度。桥面横坡由箱梁整体旋转一定角度形成。桥墩支点处设置横隔梁，边跨支点设置端横隔梁，各跨跨中处设置中横隔梁。由于本桥第二联～第三联是位于R=125m的平曲线内，这2联内的中墩墩顶支座设置了向曲线外侧18cm的预置偏心，在各联梁边端均设置两个盆式支座，而各中墩支点设置两个固定支座。预应力混凝土等截面连续梁采用“桥梁博士”(V2．9)程序进行内力分析和配束，采用曲梁网格法划分单元，纵向模拟两道纵梁，施工采用满堂支架现浇，支座沉降按5mm计，温度模式按顶板升降温5℃考虑，设计时按其最不利情况进行组合。

在工程竣工后，发现位于平曲线半径为125m内的第二联～第三联的双支座墩出现支座脱空的现象。脱空的支座位于梁端曲线的内侧，脱空的高度范围为0．5～1．2cm，同时有少量径向位移。根据此情况，再次进行验算，利用“桥梁博士”程序(V3．0)，采用曲梁网格法划分单元，纵向模拟两道纵梁。计算时温度模式按箱梁上、下缘升降温5℃考虑，支座沉降按5mm计。通过计算，正常使

用状态荷载组合Ⅱ的情况下，过渡墩支承反力为拉力。

根据计算结果，采取了在桥台或过渡墩处将梁顶升，撤换支座的方案。对于桥台(过渡墩)处，直接将端横隔梁两端植入钢筋，两端横向加长，首先在内侧新布设GJZ300X350型橡胶支座，利用千斤顶在外侧将梁顶升(顶升力300t)，拆除原桥支座，再在图一中所示外侧位置新设置GJZ500X600型橡胶支座。本方案只是在桥台处增加了上部结构箱梁横截面，在保证了使用功能的同时，对于本桥的美观影响也不是很大。采用这种措施后，桥梁效果良好，至今没有发现任何问题。通过对上述工程实例的分析计算，设计者应该认识到对于小半径曲线桥，必须进行空间计算，分析桥梁横向之间的反力。为防止支座脱空，设计时应注意以下问题：

(1)横向两支座不再以桥梁的实际中心线为对称中心，根据空间计算结果设置横向偏心距，但问题是偏心距往往不能彻底解决支座脱空的实际，尤其是桥梁一联的长度过长，匝道桥梁平面线位变化复杂(例如反向平曲线，并且存在缓和曲线)时，极容易出现问题，必须认真对待。

(2)由于桥梁孔径布置限制，不可避免存在跨径较大的小半径曲线连续梁桥，必须采用预应力结构时，应尽量保证各桥墩均采用双支点，当必须采用单支点形式时，应尽量减少一联连续梁中单支点的数量。

图一

(3)宜避免设置抗拉支座，可考虑采用桥台(或过渡墩)支座横向间距加大的措施。

(4)弯桥设计一般采用现浇钢筋混凝土连续箱梁，这涉及到桥梁纵向一联总长度的选取问题。为了避免支座脱空问题，一联的长度宜短不宜长，最长80m 为宜。

(5)对于除了端支点外其它均为单支点形式的小半径曲线预应力连续梁桥，应采取有效的构造措施避免内侧端支座脱空。可采取的措施有调整预应力束布置形式、设置拉力支座、增大端支座的问距、合理设置单支点的预偏心、单支点处设置必要的限位装置等。

二、曲线桥箱梁抗扭问题

直梁桥受“剪、弯”作用，而曲线梁桥处于“剪、弯、扭”的复合受力状态，故上、下部结构必须构成有利于抵抗“剪、弯、扭”的措施。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，因此，对于曲线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。所以在曲线桥梁中，宜选用低高度梁和抗扭惯矩较大的箱形截面。

为减小曲线梁桥梁体受扭对上、下部结构产生的不利影响，可采用以下方法进行结构受力平衡的调整：(1)为减小此项扭矩的影响，比较有效的办法是通过调整独柱支承偏心值来改善主梁受力。(2)通过预应力筋的径向偏心距来消除曲梁内某些截面过大的扭矩，改善主梁的受力状态也是一种行之有效的办法。预应力曲线梁往往产生向外偏转的情况，这是由其结构特点造成的。预应力产生的扭矩分布和自重、恒载作用下的扭矩分布规律有着较大的区别，为调整扭矩分布，可在曲线梁轴线两侧采用不同的预应力钢束及锚下控制应力，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。下部支承方式的确定。曲线梁桥的不同支承方式，对其上、下部结构内力影响非常大。对于曲线梁桥，中间支承一般分为两种类型：抗扭型支承(多支点或墩梁固结)和单支点铰支承。在曲线梁桥选择支承方式时，可遵循以下原则：

(1)对于较宽的桥(桥宽b>12m)和曲线半径较大(一般r>100m)的曲线梁桥，由于主梁扭转作用较小，桥体宽要求主梁增加横向稳定性，故在中墩宜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。

(2)对于较窄的桥(桥宽b≤12m)和曲线半径较小(一般约r≤100m)的曲线梁桥，由于主梁扭转作用的增加，尤其在预应力钢束径向力的作用下，主梁横向扭矩和扭转变形很大。由于桥窄因此宜采用独柱墩，但在选用支承结构形式时应视墩柱高度不同而确定。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)墩柱截面的合理选用。当采用墩柱与梁固结的支承形式时就必须注意墩柱的弯矩变化。在主梁的扭转变形过大同时墩柱弯矩也很大(一般墩柱较矮)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，这样既减小了墩柱的配筋又降低了主梁的横向扭转变形，更适合其受力特点。

解决曲线梁弯扭耦合所带来的抗扭问题，除了考虑抗扭约束外，还可以从如下方面人手：一是通过偏心支承，利用主梁自身恒载调整主梁扭距分布；二是通过预应力，合理布置调整主梁扭距分布。实际设计中多用双柱墩提供抗扭支承，而用独柱墩通过预设支座偏心调整主梁扭距分布。

三、结束语

导致曲线梁出现病害的设计原因很多，包括预应力设置不当、未设置横向限位、温度效应考虑不周等，主要是设计人员对曲线梁的受力特点重视不够，很多桥梁没有按三维受力情况进行结构分析。通过本文的这些论述，希望能给设计者带来一些解决曲线桥常见问题的方法。