曲线梁桥的设计

内容提要：本文论述了曲线梁桥设计过程中所遇到的一些实际问题，并提出了一些解决方法。介绍了曲线梁桥的受力特点，分析了不同支承形式和预应力钢束对曲线梁桥受力的影响。

关键词：曲线梁桥；受力特点；支承方式；预应力钢束设计

中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：

随着我国社会经济建设的快速发展，曲线梁桥在现代化的公路及城市道路立交中应用已非常普遍，尤其在大型互通立交的匝道设计中应用广泛。在设计过程中，由于受到地形、地物以及占地面积等多种因素的影响，曲线梁桥的设计常常受到相当多的限制，给曲线梁桥的主梁、墩柱造成不利的影响。在全国范围内，此类桥型结构目前已出现多次因设计原因而在施工或使用过程中发生事故，其中有的引起主梁开裂；有的引起墩柱开裂；还有的引起主梁向外偏转或向内偏转而使支座脱空；有的已经全桥拆除；给国家造成巨大经济损失。在这种情况下，认真分析曲线梁桥设计中存在的问题，并针对问题寻找恰当的解决办法，对于降低曲线梁桥的事故发生率，避免重大安全事故的发生，无疑就具有了十分重要的现实意义。

1、曲线梁桥及其受力特点

1.1、曲线梁桥

曲线梁桥是指平面线形设计为曲线形的桥梁。 和直线梁桥相比较，曲线梁桥能够有效摆脱地形、地物以及占地面积的限制，给予桥梁设计人员更多的发挥空间，使整座桥梁的线条更加的平顺流畅，在正常发挥桥梁功能的同时，给人以赏心悦目的享受。

1.2、曲线梁桥的受力特点

曲线梁桥受力特点是相对于直桥而言的，由于主梁的平面弯曲使得下部结构墩往的支承点不在同一条直线上，从而造成曲线梁桥的受力状态与直桥有着很大差别。首先，曲线梁桥存在着平面内弯曲和轴向变形二者之间的耦合；其次，曲线梁桥存在着扭转和竖向挠曲之间的耦合；第三，截面变形和他们之间的耦合。其中，扭转变形和挠曲变形之间的耦合最为重要。

在曲线梁桥中，由于自重和预应力荷载作用所产生的扭矩和扭转变形是不容忽视的，预应力钢束径向力产生的扭转作用也相当大。在大曲率、较大跨径的曲线梁桥中，主梁组合最大扭矩值有时可达纵向最大弯矩值的50％以上。由于主梁的扭转传递到梁端部时，会造成端部各支座横向受力分布严重不均，甚至使支座出现负反力。还有汽车荷载的偏心布置及其行使时的离心力，也会造成曲线梁桥向外偏转并增加主梁扭矩和扭转变形。因此在各种因素作用下，桥梁结构存在较大的弯——扭耦合作用。在这种状态下，和相应的直线梁桥相比较，曲线梁桥的截面主拉应力就大得多。因此，在曲线梁桥的设计中，通常需要选择具有较大抗扭刚度的箱形截面。

综合以上曲线梁桥受力特点，在曲线梁桥结构设计中，应对其进行全面的整体的空间受力计算分析，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得到安全可靠的结构设计。

2、曲线梁桥的支承方式

曲线梁桥不同的支承方式对上下部结构的受力影响非常大，往往对结构设计起决定性的作用。根据以往设计经验，提出以下几点意见供参考：

（1）对于较宽的桥（约桥宽B＞12m）和曲线半径较大（一般R＞70m）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（约桥宽 B＜12m）和曲线半径较小（一般约 R＜70m）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。由于桥窄因此易采用独柱墩，但在选用支承结构形式时应视墩柱高度不同而确定。在较高的中墩（一般约H＞8m）可采用墩柱与梁固结的结构支承形式。在较低的中墩（一般约H＜8m）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）我国现行的桥梁规范还未对曲线梁桥最大扭转变形作出限制的规定。经过对几座曲线梁桥破坏的分析，为保证其安全，在设计曲线形梁桥时，应对其在恒载加活载的最大扭转变形值加以控制。（4）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，采用圆形截面墩柱固结是不经济的。首先，墩柱受力过大结构验算不易通过，仅仅加大墩柱直径，会使墩柱刚度增加很多，在预应力径向力作用下墩柱径向弯矩和在温度荷载作用下纵向弯矩都会增加，合成后的弯矩会更大，更不利于墩柱受力。其次，圆形截面墩柱对主梁的扭转约束相对较小，不利于减小主梁的扭转变形。但对于上述情况的曲线梁桥如采用扁高矩形截面墩柱时，就可有效避免以上不利情况的发生。因为扁高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，从而达到墩柱与主梁两全其美的效果。（5）在曲线梁桥的中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，应至少设置两个中墩多向固定支座，在桥台于主梁侧面设置防侧滑装置。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。当中墩采用多向活动的盆式支座或球形支座时，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，如不及时处理，严重时可使主梁滑落。

（6）曲线梁桥在进行边墩盖梁和支座设计时，由于其横向各支座反力相差较大，所以对边墩各支座反力应进行结构空间计算后确定，这样才能计算出反力的最不利值，同时避免边支座产生负反力，才能满足设计要求。只使用平面杆系程序计算出支点总反力后横向平均到各个支座上的方法，不适合曲线梁桥。

3、曲线梁桥预应力钢束的设计

在曲线梁桥设计过程中，预应力钢束既能够抵抗弯矩，还可以将外荷载产生的扭矩抵消掉。通常情况下，可以采取下面三种方法抵消扭矩：第一，内侧腹板和外侧腹板均使用线形不同的预应力筋。第二，内侧腹板和外侧腹板使用的线性对称的预应力筋，但是其张拉力不相同。第三，在顶板、底板中设计弯曲方向呈互相反方向的预应力筋。

在预应力设计上，国外采取的方法和国内的设计方法并不完全相同，国外设计是将整座曲线梁桥作为一根梁进行设计，钢束按照功能的不同分为抗弯钢束和抗扭钢束两大类，抗弯钢束在设计上和直线梁桥的设计方法相同，其目的是保证上缘应力和下缘应力达到梁桥结构上的要求，抗扭钢束设计在左腹板、右腹板或者顶板、底板上弯曲方向呈互相反方向的钢束，从而平衡活载以及抗弯钢束形成的扭矩。而我国采取的方法主要是从抵抗弯矩所需预应力钢筋的线形和数量进行设计，通过抗弯预应力钢束的移动，尽最大可能抵消外扭矩。预应力对桥梁结构的作用有些是有利的，而有些是有害的。如设计失误严重时预应力也可造成桥梁结构的破坏。所以分析清楚预应力对桥梁结构尤其是对更复杂的曲线梁桥结构的影响是极其重要的问题。

曲线梁桥的预应力钢束不仅有平面弯曲同时还有沿梁高度方向的竖向弯曲，预应力钢束径向力的作用点总是沿梁高度方向在变化。当其作用点位于主梁截面剪切中心以上或以下时，钢束径向力就会对主梁产生扭转作用，位于截面剪切中心以上的钢束径向力产生的扭矩（MT上）方向与位于截面剪切中心以下的钢束径向力产生的扭矩(MT下)方向是相反的，两者的扭矩之和构成了预应力钢束对曲线梁的整体扭转作用。当MT上大于MT下时，主梁就产生向圆心方向的扭转，反之主梁则产生背离圆心方向的扭转。这样预应力钢束就会引起曲线梁的向内偏转或向外偏转的情况。预应力混凝土曲线梁往往产生向外偏转的情况，这是其结构特点造成的。任何桥梁的主梁都是以受弯为主的构件，所以预应力钢束应首先满足纵向弯矩的受力要求。一般预应力混凝土连续弯梁的弯矩图正弯矩区段的长度远大于负弯矩区段的长度，所以相应的预应力钢束重心位于主梁底部的长度远大于位于主梁顶部的长度。这使得预应力径向力产生的扭矩MT下大于MT上，所以预应力产生的总扭矩是向曲线外侧翻转的。而预应力钢混组合曲线梁往往产生向内偏转的情况，因混凝土桥面板位于梁顶部，预应力钢束全部配置在桥面板内，所有钢束重心均位于剪切中心上方，使得预应力径向力产生的扭矩只有MT上，所以预应力产生的总扭矩是向曲线内侧翻转的。

随着我国经济水平的不断提高，曲线梁桥在道路建设上的应用越来越广泛，在设计过程中，设计人员必须综合分析曲线梁桥建设地点的地形、地物以及占地面积等因素，结合曲线梁桥设计原理，具体问题具体分析，设计出既符合使用要求，又美观大方的现代曲线梁桥。

参考文献：

1、黄海.曲线梁桥设计与计算过程探讨[J].交通标准化，2011,13.

2、李华明.浅析公路曲线桥梁的结构设计[J].建材发展导向，2011,05.

3、袁波.曲线梁桥的受力性能分析与支承优化设计 [D].郑州大学2011年硕士研究生毕业论文.