曲線梁橋的受力施工特點及設計方法分析
摘要：介紹了曲線梁橋的力學特性，結構分析及應注意的幾點問題，施工特性及設計方法。
關鍵詞：曲線梁橋，結構，施工
近年來，隨著公路建設事業(yè)的快速發(fā)展，涉及到曲線梁的橋梁設計已經(jīng)越來越多了，以往設計者希望通過調整路線方案，盡量避開這種結構形式，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）進行曲線調整，以期達到與路線線形一致。這些嚴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，橋墩基本上要設在指定位置，這種情況下只能考慮設計曲線梁橋。
1、曲線梁橋的力學特性
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）軸向變形與平面內彎曲的耦合；
�。�2）豎向撓曲與扭轉的耦合；
�。�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。同時彎道內外側支座反力不等，內外側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)，其截面主拉應力比相應的直梁橋大得多。故在曲線梁橋中，應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，由于曲梁內外側支座反力有時相差很大，當活載偏置時，內側支座甚至會出現(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
由于內外側支座反力不相等，使各墩柱所受垂直力出現(xiàn)較大差距。當扭矩很大時，如果設置了拉壓支座，有些墩柱甚至會出現(xiàn)拉力。曲線梁橋下部結構墩頂水平力，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，多了離心力和預應力張拉時產(chǎn)生的徑向力。墩頂水平力的分配非常復雜。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，使得水平力求解非常困難。
2、曲線梁橋的結構分析
2.1上部結構分析
2.1.1結構力學方法
這種方法沿用桿系系統(tǒng)的結構力學方法。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。梁格法實質是用一個等效的梁格來代替橋梁上部結構，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構，能計算任意形狀的復雜結構，特別地，它能針對結構的局部作精確分析，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下部結構分析
與直橋相比，曲線梁橋下部結構分析要復雜得多。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、曲梁內預應力索產(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（轉動中心）”；由于上部結構的扭轉作用，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，也會影響到各墩內力的分配。長期以來，人們對曲線梁橋上部結構分析比較重視。就目前的情況看，有關曲線梁橋上部結構分析的專著比較多，理論也比較成熟。與上部結構相比，針對曲線梁橋下部結構的研究還不夠深入。
3、曲線梁橋設計應注意的幾個問題
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：從結構受力方面，要注意調整梁內的扭矩分布，控制扭矩峰值，使梁截面以及支座受力較均勻；從結構變形方面，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。要得到這些結果，主要是靠調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，梁端內側支座“脫空”現(xiàn)象比較嚴重，主要是因為內側支座反力太小甚至出現(xiàn)了負值。所以，我們要使內側支座處于受壓狀態(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構的受力狀態(tài)。在實際設計時，要分別采用不同的約束進行試算，然后決定結構的邊界條件。
3.2曲線梁的結構設計
直梁橋受“彎、剪”作用，而曲線梁橋處于“彎、剪、扭”的復合受力狀態(tài)，故上、下部結構必須構成有利于抵抗“彎、剪、扭”的措施。
3.2.1曲線梁橋的彎扭剛度比對結構的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)有著直接的關系：彎扭剛度比越大，由曲率因素而導致的扭轉彎形越大，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在曲線梁橋截面設計時，要在橋跨范圍內設置一些橫隔板，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，要設漸變段過渡，減小應力集中效應。
3.2.3在進行配筋設計時要充分考慮扭矩效應，彎梁應在腹板側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造。在獨柱式點鉸支承
曲線連續(xù)梁中，上部結構在外荷載作用下產(chǎn)生的扭矩不能通過中間支承傳至基礎，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、下部結構產(chǎn)生的不利影響，可采用以下方法進行結構受力平衡的調整：
①為減小此項扭矩的影響，比較有效的辦法是通過調整獨柱支承偏心值來改善主梁受力。
�、谕ㄟ^預應力筋的徑向偏心距來消除曲梁內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。預應力曲線梁往往產(chǎn)生向外偏轉的情況，這是由其結構特點造成的。預應力產(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，為調整扭矩分布，可在曲線梁軸線兩側采用不同的預應力鋼束及錨下控制應力，構成預應力束應力的偏心，形成內扭矩來調整曲線梁扭矩分布。
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、下部結構內力影響非常大。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）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（橋寬b>12m）和曲線半徑較大（一般r>100m）的曲線梁橋，由于主梁扭轉作用較小，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的支承形式。
�、趯τ谳^窄的橋（橋寬b≤12m）和曲線半徑較�。ㄒ话慵sr≤100m）的曲線梁橋，由于主梁扭轉作用的增加，尤其在預應力鋼束徑向力的作用下，主梁橫向扭矩和扭轉變形很大。由于橋窄因此宜采用獨柱墩，但在選用支承結構形式時應視墩柱高度不同而確定。較高的中墩可采用墩柱與梁固結的結構支承形式。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變形。但這兩種交承方式都需對橫向支座偏心進行調整。
�、鄱罩孛娴暮侠磉x用。當采用墩柱與梁固結的支承形式時就必須注意墩柱的彎矩變化。在主梁的扭轉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變形，更適合其受力特點。
3.3下部結構
曲線梁橋墩頂水平力分配比較復雜，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當橋長較大（如大于100m），梁端支座應能順橋向自由滑動、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造，應保證在最大升溫條件下，梁能夠不受阻礙地自由伸縮變形；當橋長較小時，梁端支座可以采用普通板式橡膠支座。“梁端設普通板式橡膠支座、所有中墩設橫橋向自由滑動的盆式支座”，對曲線梁橋是危險的，應絕對避免。
4.3當曲線梁橋比較寬、各墩也較寬時，應注意溫度
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、標高控制、中線控制等方面都會增加許多麻煩，應予反復檢查、嚴格要求。另外，在進行預制底�？刂茣r，如果內外側邊梁因跨徑懸殊必須設置不同的預拱度時，應對其底模進行嚴格的標高控制。
5.2超高處理 曲梁橋的超高處理一般有兩種方法：
�、俪咧递^小，且在橋寬不大的情況下，建議將超高部分直接設置在橋面鋪裝上；
�、诋敵咧递^大時，建議將一部分設在橋面鋪裝上，另一部分設在墩臺頂面上；當超高值不太大時，也可直接將超高部分全部設在墩臺頂部。
5.3邊板處理
對于預制的彎梁構件，其構件重心位置可能位于構件軸線以外（一般出現(xiàn)在內外側邊梁），在堆放時極易失穩(wěn)傾覆，需增設臨時支撐；即使構件的重心位置位于構件的軸線以內，而在施工過程中，當橋面橫向聯(lián)結尚未形成而一些預制小構件如緣石、人行道板等已擱置于內外側邊梁的情況下，也可能引起構件的傾覆。因此，建議在施工內外側邊梁時，每隔5m左右預埋一塊鋼板，當架設完成后，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主梁預制 因曲梁橋每一孔的各根主梁的構造尺寸不同，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，可利用導梁來吊裝，但在軌道的鋪設以及方位角的調整上要嚴格認真。
6、設計方法
6.1設計參數(shù)的選定
在橋梁設計中，應根據(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，幾何及下部結構設計較為復雜。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，使得設計和施工相對較為復雜。
各墩臺與路線交角相同，下部結構及幾何設計較為簡單，橋梁較長時較為適用。可利用現(xiàn)澆梁端長度或連續(xù)梁現(xiàn)澆中橫梁變寬度來調整預制梁長度，使得預制梁長度保持一致。當曲線半徑較小時，因中橫梁變寬度受到限制，此時可采用變預制梁長度進行設計，當左右兩幅內外側（左、右）梁長度變化較大時，建議梁長按內�。ɑ騼认遥┛刂疲捎脙�、外兩幅分別布置（如圖2使內li右= li中），此時雖然各墩臺軸線稍有錯開，但適應山區(qū)水少的特點，最主要的是可以保證全橋預制梁長度一致，方便了設計和施工。
6.3.2預制空心板梁的布設方法
（1）位于曲線上的橋梁，當路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內的曲線矢高hs≤5cm時，按直橋設計，采用將橋梁中心線向曲線外側平移hs/2的平分中矢法調整橋梁平面線形，護欄按曲線設置。
（2）位于曲線上的橋梁，當路線中心線處橋梁跨徑總長范圍內的曲線矢高hs>5cm時，按折線布孔，原則上從橋梁中心樁號向兩側敷設，以曲線內側弦長為標準跨徑按折線布置。
�。�3）當內外側梁長之差小于等于標準跨徑的2%時，橋梁布設以路線中心線為準，按標準跨徑設置，優(yōu)先考慮等角度布設。即橋墩徑向布置，橋臺軸線旋轉后與預制梁端平行（與路線中心線不一定垂直），使得橋臺伸縮縫預留縫等寬。
（4）當內外側梁長之差大于標準跨徑的2%時，橋梁布設以左右半幅橋梁中心線為準，按標準跨徑設置，考慮采用平行布設。
6.4離心力的考慮
當彎梁橋的曲率半徑ρ>250m時，可以不計離心力的作用；當ρ≤250m時，必須計入離心力對結構物受力的影響。根據(jù)《公路橋涵設計規(guī)范》：離心力的作用點可直接移至橋面，但對“獨柱墩式”的彎梁橋結構，作此簡化是偏于不安全的。因此在設計時，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、外側邊梁的尺寸往往比中梁結構的尺寸大許多，從經(jīng)濟性出發(fā)，建議將內外側邊梁及中梁進行分別設計。
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整主梁扭距分布；二是通過預應力，合理布置調整主梁扭距分布。實際設計中多用雙柱墩提供抗扭支承，而用獨柱墩通過預設支座偏心調整主梁扭距分布。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計中被廣泛應用。所有這些問題的解決還有賴于設計者在實際工作中精確的結構計算，并在此基礎上采取必要的結構措施。在進行曲線梁橋計算時，應充分考慮橋梁寬度的因素。在車輛荷載的偏載作用下，寬曲梁橋的扭轉作用明顯加劇。根據(jù)《公路工程技術規(guī)范》的線型要求，掌握曲線梁橋的設計計算方法具有廣泛的實用意義。對我們橋梁專業(yè)的學生更是需要掌握，現(xiàn)在只是初步學習，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于斜彎橋的知識的，那時不僅能夠鞏固大學時所學知識，還會有更多的自己的看法。通過學習和思考一些問題，使我對這門學科有了進一步的興趣，我會在今后生活工作中不斷關注相關知識，增強自己的專業(yè)水平。
