曲線梁橋的受力施工特點及設(shè)計方法分析
摘要：介紹了曲線梁橋的力學(xué)特性，結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)注意的幾點問題，施工特性及設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：曲線梁橋，結(jié)構(gòu)，施工

　　近年來，隨著公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，涉及到曲線梁的橋梁設(shè)計已經(jīng)越來越多了，以往設(shè)計者希望通過調(diào)整路線方案，盡量避開這種結(jié)構(gòu)形式，或由于曲線半徑較大，采用以“直”代“曲”的形式，在橋梁上部（如翼緣、護欄等）進行曲線調(diào)整，以期達到與路線線形一致。這些嚴(yán)格意義上說都不是曲線橋。由于受原有地物或地形的限制，一些城市的立交橋梁和交叉工程的橋梁曲線半徑比較小，橋墩基本上要設(shè)在指定位置，這種情況下只能考慮設(shè)計曲線梁橋。
　　1、曲線梁橋的力學(xué)特性
　　1.1曲線梁的受力情況
　　曲線梁橋能很好地克服地形、地物的限制，可以讓設(shè)計者較自由地發(fā)揮自己的想象，通過平順、流暢的線條給人以美的享受。但是曲線梁橋的受力比較復(fù)雜。與直線梁相比，曲線梁的受力性能有如下特點：
　�。�1）軸向變形與平面內(nèi)彎曲的耦合；
　　（2）豎向撓曲與扭轉(zhuǎn)的耦合；
　�。�3）它們與截面畸變的耦合。其中最主要的是撓曲變形和扭轉(zhuǎn)變形的耦合。曲梁在豎向荷載和扭距作用下，都會同時產(chǎn)生彎距和扭距，并相互影響。同時彎道內(nèi)外側(cè)支座反力不等，內(nèi)外側(cè)反力差引起較大的扭距，使梁截面處于“彎-扭”耦合作用狀態(tài)，其截面主拉應(yīng)力比相應(yīng)的直梁橋大得多。故在曲線梁橋中，應(yīng)選用抗扭剛度較大的箱型截面形式。在曲梁中，由于存在較大的扭矩，通常會出現(xiàn)“外梁超載，內(nèi)梁卸載”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在小半徑的寬橋中特別明顯。另外，由于曲梁內(nèi)外側(cè)支座反力有時相差很大，當(dāng)活載偏置時，內(nèi)側(cè)支座甚至?xí)�出現(xiàn)負反力，如果支座不能承受拉力，就會出現(xiàn)梁體與支座發(fā)生脫離的現(xiàn)象，通常稱為“支座脫空”。
　　1.2下部橋梁墩臺的受力情況
　　由于內(nèi)外側(cè)支座反力不相等，使各墩柱所受垂直力出現(xiàn)較大差距。當(dāng)扭矩很大時，如果設(shè)置了拉壓支座，有些墩柱甚至?xí)�出現(xiàn)拉力。曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)墩頂水平力，除了與直橋一樣，有制動力、溫度力、地震力等以外，還因為彎梁曲率的存在，多了離心力和預(yù)應(yīng)力張拉時產(chǎn)生的徑向力。墩頂水平力的分配非常復(fù)雜。在求溫度零點時，曲線梁橋不能象直橋一樣，只考慮一個方向力的平衡，而必須考慮兩個方向的平衡；各墩頂處支座的類型和位置不一致，部分支座可能已處于臨界滑移狀態(tài)，其余支座還未達到臨界狀態(tài)；各支座的約束方向以及各墩柱不在同一平面內(nèi)，使得水平力求解非常困難。
　　2、曲線梁橋的結(jié)構(gòu)分析
　　2.1上部結(jié)構(gòu)分析
　　2.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)方法
　　這種方法沿用桿系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。首先將彎梁視為一根曲桿，把抗扭支座以贅余扭矩代替，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件求解未知力。這種方法較簡單，比較適用于分析簡支彎梁和等截面且跨內(nèi)為圓弧的窄橋。
　　2.1.2梁格法
　　梁格法是目前最常用的分析彎梁橋的方法。梁格法實質(zhì)是用一個等效的梁格來代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，是一種以梁為基本單元的有限元法。這種方法概念明確，容易理解和使用，也比較容易操作，計算速度也比較快�，F(xiàn)有的計算曲線梁梁橋軟件，如同濟大學(xué)開發(fā)的“橋梁博士”和廣州阿安畢公司開發(fā)的“3dbsa”，都采用了梁格法。
　　2.1.3空間有限元法
　　空間有限元法是最有效的分析方法。這種方法常采用體單元和殼單元來模擬結(jié)構(gòu)，能計算任意形狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，特別地，它能針對結(jié)構(gòu)的局部作精確分析，這是上述兩種計算方法無法做到的。對于一些特殊的曲線梁橋，比如非徑向支承的異型橋梁等，采用空間有限元法分析是非常有必要的。此外，如果要了解曲線梁橋的穩(wěn)定與振動特性，也必須采用空間有限元法。常用的空間有限元軟件有midas、ansys、sap2000等。采用空間有限元法的缺點是計算工作量較大，在當(dāng)前情況下，采用這種方法計算，需要付出較多的時間。
　　2.2下部結(jié)構(gòu)分析
　　與直橋相比，曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)分析要復(fù)雜得多。在荷載方面，曲線梁橋除了與直橋一樣要承受各種外荷載，如自重、車輛荷載、溫度力、地震力等，還要承受離心力、曲梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力索產(chǎn)生的徑向力等；在墩頂水平力的分配方面，由于曲線梁橋不能象直橋一樣，在求溫度零點時不能只考慮一個方向的平衡，而要考慮兩個方向的平衡，求出“不動點（轉(zhuǎn)動中心）”；由于上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用，各墩的軸力有很大的差異，在確定樁長時要特別注意這種情況；此外，由于各支座約束情況不一樣，也會影響到各墩內(nèi)力的分配。長期以來，人們對曲線梁橋上部結(jié)構(gòu)分析比較重視。就目前的情況看，有關(guān)曲線梁橋上部結(jié)構(gòu)分析的專著比較多，理論也比較成熟。與上部結(jié)構(gòu)相比，針對曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)的研究還不夠深入。
　　3、曲線梁橋設(shè)計應(yīng)注意的幾個問題
　　3.1總體布置
　　在進行橋梁總體布置時，要考慮兩個方面問題：從結(jié)構(gòu)受力方面，要注意調(diào)整梁內(nèi)的扭矩分布，控制扭矩峰值，使梁截面以及支座受力較均勻；從結(jié)構(gòu)變形方面，要注意控制梁端縱橫向變位及翹曲變形，使之符合規(guī)范要求。要得到這些結(jié)果，主要是靠調(diào)整跨徑搭配和處理邊界條件。
　　3.1.1跨徑的搭配
　　從已建成的橋梁看，梁端內(nèi)側(cè)支座“脫空”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，主要是因為內(nèi)側(cè)支座反力太小甚至出現(xiàn)了負值。所以，我們要使內(nèi)側(cè)支座處于受壓狀態(tài)，并且要有一定的壓力儲備。比較有效的辦法是控制邊跨跨徑，使邊跨跨徑與中跨比較接近。當(dāng)受實際條件限制，邊跨跨徑與中跨差距較大時，也可考慮采取其他一些措施，比如調(diào)整邊跨與中跨的自重等。
　　3.1.2邊界條件
　　邊界條件影響到整個結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在實際設(shè)計時，要分別采用不同的約束進行試算，然后決定結(jié)構(gòu)的邊界條件。
　　3.2曲線梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　直梁橋受“彎、剪”作用，而曲線梁橋處于“彎、剪、扭”的復(fù)合受力狀態(tài)，故上、下部結(jié)構(gòu)必須構(gòu)成有利于抵抗“彎、剪、扭”的措施。
　　3.2.1曲線梁橋的彎扭剛度比對結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)有著直接的關(guān)系：彎扭剛度比越大，由曲率因素而導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)彎形越大，因此，對于曲線梁橋而言在滿足豎向變形的前提下，應(yīng)盡可能減小抗彎剛度、增大抗扭剛度。所以在曲線橋梁中，宜選用低高度梁和抗扭慣矩較大的箱形截面。
　　3.2.2在曲線梁橋截面設(shè)計時，要在橋跨范圍內(nèi)設(shè)置一些橫隔板，以加強橫橋向剛度并保持全橋穩(wěn)定性。在截面發(fā)生較大變化的位置，要設(shè)漸變段過渡，減小應(yīng)力集中效應(yīng)。
　　3.2.3在進行配筋設(shè)計時要充分考慮扭矩效應(yīng)，彎梁應(yīng)在腹板側(cè)面布置較多受力鋼筋，其截面上下緣鋼筋也比同等跨徑的直橋多，且應(yīng)配置較多的抗扭箍筋。
　　3.2.4城市立交橋中的彎箱梁橋中墩多布置成獨柱支承構(gòu)造。在獨柱式點鉸支承
曲線連續(xù)梁中，上部結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生的扭矩不能通過中間支承傳至基礎(chǔ)，而只能通過曲梁兩端抗扭支承來傳遞，從而易造成曲梁產(chǎn)生過大扭矩。為減小曲線梁橋梁體受扭對上、下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，可采用以下方法進行結(jié)構(gòu)受力平衡的調(diào)整：
　　①為減小此項扭矩的影響，比較有效的辦法是通過調(diào)整獨柱支承偏心值來改善主梁受力。
　�、谕ㄟ^預(yù)應(yīng)力筋的徑向偏心距來消除曲梁內(nèi)某些截面過大的扭矩，改善主梁的受力狀態(tài)也是一種行之有效的辦法。預(yù)應(yīng)力曲線梁往往產(chǎn)生向外偏轉(zhuǎn)的情況，這是由其結(jié)構(gòu)特點造成的。預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的扭矩分布和自重、恒載作用下的扭矩分布規(guī)律有著較大的區(qū)別，為調(diào)整扭矩分布，可在曲線梁軸線兩側(cè)采用不同的預(yù)應(yīng)力鋼束及錨下控制應(yīng)力，構(gòu)成預(yù)應(yīng)力束應(yīng)力的偏心，形成內(nèi)扭矩來調(diào)整曲線梁扭矩分布。
　　3.2.5下部支承方式的確定。曲線梁橋的不同支承方式，對其上、下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常大。對于曲線梁橋，中間支承一般分為兩種類型：抗扭型支承（多支點或墩梁固結(jié)）和單支點鉸支承。在曲線梁橋選擇支承方式時，可遵循以下原則：
　�、賹τ谳^寬的橋（橋?qū)抌>12m）和曲線半徑較大（一般r>100m）的曲線梁橋，由于主梁扭轉(zhuǎn)作用較小，橋體寬要求主梁增加橫向穩(wěn)定性，故在中墩宜采用具有抗扭較強的多柱或多支座的支承方式，亦可采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式。
　�、趯τ谳^窄的橋（橋?qū)抌≤12m）和曲線半徑較�。ㄒ话慵sr≤100m）的曲線梁橋，由于主梁扭轉(zhuǎn)作用的增加，尤其在預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力的作用下，主梁橫向扭矩和扭轉(zhuǎn)變形很大。由于橋窄因此宜采用獨柱墩，但在選用支承結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)視墩柱高度不同而確定。較高的中墩可采用墩柱與梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)支承形式。較低的中墩可采用具有較弱抗扭能力的單點支承的方式。這樣可有效降低墩柱的彎短和減小主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形。但這兩種交承方式都需對橫向支座偏心進行調(diào)整。
　�、鄱罩�截面的合理選用。當(dāng)采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式時就必須注意墩柱的彎矩變化。在主梁的扭轉(zhuǎn)變形過大同時墩柱彎矩也很大（一般墩柱較矮）的情況下，宜采用矩形截面墩柱。因為矩形截面沿主梁縱向抗彎剛度較小，而沿主梁橫向抗彎剛度較大，這樣既減小了墩柱的配筋又降低了主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形，更適合其受力特點。
　　3.3下部結(jié)構(gòu)
　　曲線梁橋墩頂水平力分配比較復(fù)雜，而且橋墩所受的外力方向常發(fā)生變化，因此，墩柱要盡量采用圓形截面；曲線梁橋墩柱受到縱橫向水平力作用，墩身最大彎矩應(yīng)是兩個方向的力矢量合成值；同一座橋墩各墩柱的軸力可能有差異，所以要調(diào)整墩柱位置，使墩柱受力均勻，避免出現(xiàn)墩柱受拉的情況；在計算樁柱配筋量時，要分別驗算各墩柱的內(nèi)力，根據(jù)最不利組合進行配筋，在確定樁長時，要以軸力較大的墩柱進行控制。
　　4、曲線梁橋設(shè)計中需要注意的其它問題
　　4.1所有中墩支座，盡可能橫橋向位移固定，可采用盆式或普通板式橡膠支座。
　　4.2當(dāng)橋長較大（如大于100m），梁端支座應(yīng)能順橋向自由滑動、橫橋向位移固定，可采用盆式橡膠支座，或附加了橫橋向位移固定裝置的四氟板橡膠支座；此外，梁端間隙和伸縮縫構(gòu)造，應(yīng)保證在最大升溫條件下，梁能夠不受阻礙地自由伸縮變形；當(dāng)橋長較小時，梁端支座可以采用普通板式橡膠支座。“梁端設(shè)普通板式橡膠支座、所有中墩設(shè)橫橋向自由滑動的盆式支座”，對曲線梁橋是危險的，應(yīng)絕對避免。
　　4.3當(dāng)曲線梁橋比較寬、各墩也較寬時，應(yīng)注意溫度
變化時由于曲線梁水平彎曲變形在墩頂產(chǎn)生的橫橋向水平作用力可能會比較大，尤其是當(dāng)所有中墩支座均為橫橋向位移固定時。
　　5、施工特點
　　5.1測設(shè)放樣　由于曲梁橋在平面和縱橫斷面上的變化較大，因而在施工放樣、標(biāo)高控制、中線控制等方面都會增加許多麻煩，應(yīng)予反復(fù)檢查、嚴(yán)格要求。另外，在進行預(yù)制底模控制時，如果內(nèi)外側(cè)邊梁因跨徑懸殊必須設(shè)置不同的預(yù)拱度時，應(yīng)對其底模進行嚴(yán)格的標(biāo)高控制。
　　5.2超高處理　曲梁橋的超高處理一般有兩種方法：
　�、俪�高值較小，且在橋?qū)挷淮蟮那闆r下，建議將超高部分直接設(shè)置在橋面鋪裝上；
　�、诋�(dāng)超高值較大時，建議將一部分設(shè)在橋面鋪裝上，另一部分設(shè)在墩臺頂面上；當(dāng)超高值不太大時，也可直接將超高部分全部設(shè)在墩臺頂部。
　　5.3邊板處理
　　對于預(yù)制的彎梁構(gòu)件，其構(gòu)件重心位置可能位于構(gòu)件軸線以外（一般出現(xiàn)在內(nèi)外側(cè)邊梁），在堆放時極易失穩(wěn)傾覆，需增設(shè)臨時支撐；即使構(gòu)件的重心位置位于構(gòu)件的軸線以內(nèi)，而在施工過程中，當(dāng)橋面橫向聯(lián)結(jié)尚未形成而一些預(yù)制小構(gòu)件如緣石、人行道板等已擱置于內(nèi)外側(cè)邊梁的情況下，也可能引起構(gòu)件的傾覆。因此，建議在施工內(nèi)外側(cè)邊梁時，每隔5m左右預(yù)埋一塊鋼板，當(dāng)架設(shè)完成后，利用短廢鋼筋將邊梁與相鄰梁連接在一起，以防傾覆破壞。
　　5.4主梁預(yù)制　因曲梁橋每一孔的各根主梁的構(gòu)造尺寸不同，故施工時必須在每一根主梁上注明是某孔某號主梁，以防吊裝時出現(xiàn)錯誤。
　　5.5吊裝　吊裝最好使用大噸位吊車。在無此機械時，可利用導(dǎo)梁來吊裝，但在軌道的鋪設(shè)以及方位角的調(diào)整上要嚴(yán)格認(rèn)真。
　　6、設(shè)計方法
　　6.1設(shè)計參數(shù)的選定
　　在橋梁設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)路線線型的要求，確定梁橋的平曲線形狀，選定平曲線要素，再根據(jù)橋梁的使用要求和《公路工程技術(shù)規(guī)范》，確定彎梁橋的超高及加寬值，進而確定梁橋在直線段、圓曲線段和緩和曲線段的橋面凈寬和超高形式，進行梁橋的橫截面布置。在一般情況下，直線段的橫截面布置與路線行車道相同；圓曲線段的橋面寬度應(yīng)計入加寬值；而緩和曲線段則需做成加寬漸變段形式。
　　6.2橋型的確定
　　在曲梁橋中，應(yīng)用較廣的是連續(xù)梁和簡支梁。受曲線線型的限制，連續(xù)彎梁橋一般選用箱梁（附加異性邊梁）為最佳方案，而簡支梁橋，則以選用空心板梁（附加異性邊板）為最佳方案。
　　6.3平面線型的布置
　　6.3.1常用板梁平面布置法
　　各墩臺平行布置，如圖1所示。各墩臺與路線交角不相同，各墩臺蓋梁上的支座位置也不一樣，幾何及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜。在曲線半徑較大、橋長較短時較為適用。其優(yōu)點是各孔（或全橋）為預(yù)制梁，可保持等長度，斜交角度較小。缼點是由于梁（板端角度不同，墩、臺長度不一致，使得設(shè)計和施工相對較為復(fù)雜。
　　各墩臺與路線交角相同，下部結(jié)構(gòu)及幾何設(shè)計較為簡單，橋梁較長時較為適用�？衫�用現(xiàn)澆梁端長度或連續(xù)梁現(xiàn)澆中橫梁變寬度來調(diào)整預(yù)制梁長度，使得預(yù)制梁長度保持一致。當(dāng)曲線半徑較小時，因中橫梁變寬度受到限制，此時可采用變預(yù)制梁長度進行設(shè)計，當(dāng)左右兩幅內(nèi)外側(cè)（左、右）梁長度變化較大時，建議梁長按內(nèi)弧（或內(nèi)弦）控制，采用內(nèi)、外兩幅分別布置（如圖2使內(nèi)li右= li中），此時雖然各墩臺軸線稍有錯開，但適應(yīng)山區(qū)水少的特點，最主要的是可以保證全橋預(yù)制梁長度一致，方便了設(shè)計和施工。
　　6.3.2預(yù)制空心板梁的布設(shè)方法
　�。�1）位于曲線上的橋梁，當(dāng)路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內(nèi)的曲線矢高hs≤5cm時，按直橋設(shè)計，采用將橋梁中心線向曲線外側(cè)平移hs/2的平分中矢法調(diào)整橋梁平面線形，護欄按曲線設(shè)置。
　�。�2）位于曲線上的橋梁，當(dāng)路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內(nèi)的曲線矢高hs>5cm時，按折線布孔，原則上從橋梁中心樁號向兩側(cè)敷設(shè)，以曲線內(nèi)側(cè)弦長為標(biāo)準(zhǔn)跨徑按折線布置。
　�。�3）當(dāng)內(nèi)外側(cè)梁長之差小于等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑的2%時，橋梁布設(shè)以路線中心線為準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)置，優(yōu)先考慮等角度布設(shè)。即橋墩徑向布置，橋臺軸線旋轉(zhuǎn)后與預(yù)制梁端平行（與路線中心線不一定垂直），使得橋臺伸縮縫預(yù)留縫等寬。
　�。�4）當(dāng)內(nèi)外側(cè)梁長之差大于標(biāo)準(zhǔn)跨徑的2%時，橋梁布設(shè)以左右半幅橋梁中心線為準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)置，考慮采用平行布設(shè)。
　　6.4離心力的考慮
　　當(dāng)彎梁橋的曲率半徑ρ>250m時，可以不計離心力的作用；當(dāng)ρ≤250m時，必須計入離心力對結(jié)構(gòu)物受力的影響。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》：離心力的作用點可直接移至橋面，但對“獨柱墩式”的彎梁橋結(jié)構(gòu)，作此簡化是偏于不安全的。因此在設(shè)計時，建議離心力以如下方法考慮：先將離心力fc移至橋面上，并采用力矩mc代替外轉(zhuǎn)矩，或再將mc用豎直力表示，則fcv= mc/a.
　　6.5經(jīng)濟性考慮
　　因為彎梁橋的內(nèi)、外側(cè)邊梁的尺寸往往比中梁結(jié)構(gòu)的尺寸大許多，從經(jīng)濟性出發(fā)，建議將內(nèi)外側(cè)邊梁及中梁進行分別設(shè)計。
　　7、心得
　　綜上所述，解決曲線梁彎扭耦合所帶來的抗扭問題，除了考慮抗扭約束外，還可以從如下方面入手：一是通過偏心支承，利用主梁自身恒載調(diào)整主梁扭距分布；二是通過預(yù)應(yīng)力，合理布置調(diào)整主梁扭距分布。實際設(shè)計中多用雙柱墩提供抗扭支承，而用獨柱墩通過預(yù)設(shè)支座偏心調(diào)整主梁扭距分布。這種經(jīng)濟、合理的措施在城市高架橋，特別是曲線匝道的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。所有這些問題的解決還有賴于設(shè)計者在實際工作中精確的結(jié)構(gòu)計算，并在此基礎(chǔ)上采取必要的結(jié)構(gòu)措施。在進行曲線梁橋計算時，應(yīng)充分考慮橋梁寬度的因素。在車輛荷載的偏載作用下，寬曲梁橋的扭轉(zhuǎn)作用明顯加劇。根據(jù)《公路工程技術(shù)規(guī)范》的線型要求，掌握曲線梁橋的設(shè)計計算方法具有廣泛的實用意義。對我們橋梁專業(yè)的學(xué)生更是需要掌握，現(xiàn)在只是初步學(xué)習(xí)，對一些深層的知識還沒有能力掌握，不過在今后的工作實踐中我們會接觸大量的關(guān)于斜彎橋的知識的，那時不僅能夠鞏固大學(xué)時所學(xué)知識，還會有更多的自己的看法。通過學(xué)習(xí)和思考一些問題，使我對這門學(xué)科有了進一步的興趣，我會在今后生活工作中不斷關(guān)注相關(guān)知識，增強自己的專業(yè)水平。