淺析曲線梁橋下部支承方式的設(shè)計

孟維軍

（哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081）

1 引言

近年來，隨著我國公路和城市道路的發(fā)展建設(shè)，曲線梁橋因其線型流暢、美觀和占地面積小等優(yōu)點已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

曲線梁橋受力狀態(tài)較為復(fù)雜，所以在設(shè)計過程中，必須對其結(jié)構(gòu)受力特點有充分的了解，全面綜合考慮各種因素對主梁及墩柱的不利影響。在全國范圍內(nèi)，此類橋型結(jié)構(gòu)目前已出現(xiàn)多次因設(shè)計原因而在施工或使用過程中發(fā)生事故；其中有的引起主梁開裂；有的引起墩柱開裂；還有的引起主梁向外偏轉(zhuǎn)或向內(nèi)偏轉(zhuǎn)而使支座脫空；有的已經(jīng)全橋拆除；給國家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

綜上所述，曲線梁橋的設(shè)計，必須引起充分重視，并使用空間分析程序?qū)ζ渖舷虏拷Y(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的整體的計算。下面就曲線梁橋設(shè)計中遇到的一些實際問題進(jìn)行分析。

2 曲線梁橋的受力特點

2.1 梁體的彎扭耦合作用

曲梁在外荷載的作用下會同時產(chǎn)生彎矩和扭矩,并且互相影響,使梁截面處于彎扭耦合作用狀態(tài),其截面主拉應(yīng)力往往比相應(yīng)的直梁橋大得多,這是彎梁曲線橋獨有的受力特點。彎梁曲線橋由于受到強(qiáng)大的扭矩作用,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,其曲線外側(cè)的豎向撓度大于同跨徑的直橋;由于彎扭耦合作用,在梁端可能出現(xiàn)翹曲,當(dāng)梁端橫橋向約束較弱時,梁體有向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢。

2.2 內(nèi)梁和外梁受力不均

在彎梁曲線梁橋中,由于存在較大的扭矩,因而通常會使外梁超載、內(nèi)梁卸載,尤其在寬橋情況下內(nèi)、外梁的差異更大。由于內(nèi)、外梁的支點反力有時相差很大,當(dāng)活載偏置時,內(nèi)梁甚至可能產(chǎn)生負(fù)反力,這時如果支座不能承受拉力,就會出現(xiàn)梁體與支座的脫離,即“支座脫空”現(xiàn)象。

2.3 下部受力復(fù)雜

由于內(nèi)外側(cè)支座反力相差較大,使各墩柱所受垂直力出現(xiàn)較大差異。彎橋下部結(jié)構(gòu)墩頂水平力,除了與直橋一樣有制動力、溫度變化引起的內(nèi)力、地震力等外,還存在離心力和預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的徑向力。

綜合以上曲線梁橋受力特點，故在獨柱支承曲線梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)對其進(jìn)行全面的整體的空間受力計算分析，只采用橫向分布等簡化計算方法，不能滿足設(shè)計要求。必須對其在承受縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)和翹曲作用下，結(jié)合自重、預(yù)應(yīng)力和汽車活載等荷載進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，充分考慮其結(jié)構(gòu)的空間受力特點才能得到安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 下部支承方式對曲線橋內(nèi)力的影響

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，根據(jù)其結(jié)構(gòu)受力特點一般采用的支承方式為：

在曲線梁橋兩端的橋臺或蓋梁處采用兩點或多點支承的支座，這種支承方式可有效地提高主梁的橫向抗扭性能，保證其橫向穩(wěn)定性。

在曲線梁橋的中墩支承處可采用的支承形式很多，應(yīng)根據(jù)其平面曲率、跨徑、墩柱截面和墩柱高度及預(yù)應(yīng)力鋼束作用力的不同來合理地選用支承方式。經(jīng)常采用的支承方式有：

墩頂采用方板或圓板橡膠支座，這種方式適用于中墩支反力10000kN以下曲線梁橋梁，板式橡膠支座能夠提供一定的抗扭能力，對梁有較弱的扭轉(zhuǎn)約束，水平方向容許有剪切變形。

對于中墩支反力接近或超過10000kN的曲線梁橋可采用單向、多向活動或固定的盆式支座或球形支座。這種支座可根據(jù)其受力需要固定或放開某方向的水平約束，但是這種支座對主梁的扭轉(zhuǎn)沒有約束，這時主梁在橫向和縱向可自由扭轉(zhuǎn)。

采用雙柱中墩，或在選用矩形寬柱上設(shè)置雙點支承。這種支承方式對主梁可提供較大的扭轉(zhuǎn)約束。

采用獨柱墩頂與梁固結(jié)的方式，墩柱可承擔(dān)一部分主梁扭矩，對主梁的扭轉(zhuǎn)變形有一定約束。采取不同的支承方式對曲線梁橋的上、下部結(jié)構(gòu)受力影響很大，針對不同的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)選用對結(jié)構(gòu)受力有利的支承方式。通過以往的曲線梁橋設(shè)計經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)不同的支承方式主要影響主梁的扭矩值和扭矩沿梁縱向的分布規(guī)律，以及主梁的扭轉(zhuǎn)變形和墩柱的受力狀態(tài)。

下面將舉例說明不同支承方式對曲線梁橋的受力影響。

某立交匝道橋，橋梁跨徑為30×2＋33＋30×2＋20＝173m，中段有 R＝33m（橋梁中線）的圓曲線段，最大圓心角為183°，整個橋梁位于道路回頭曲線內(nèi)。橋梁橫截面為單箱單室箱形預(yù)應(yīng)力混凝土梁，梁高1.65m，中墩全部采用獨柱，墩柱頂部放置板式橡膠支座。設(shè)計中采用空間計算程序進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析，其中對各中墩單點支承和雙點支承（支座間距2.5m）兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了計算比較，下面是兩種結(jié)構(gòu)的扭矩圖（圖1）。

圖1 曲線梁雙點支承與單點支承對扭矩的影響

從圖中可以看出：①采用雙點支承時，在主梁的自重作用下，扭矩值較單點支承時的值最大可小30%，說明雙點支座可有效減小主梁自重扭矩；②雙點支承時，預(yù)應(yīng)力作用下，扭矩值較單點支承的值增大很多，而且扭矩分布規(guī)律也發(fā)生了變化，說明雙點支承增大了主梁預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩；③在主梁自重與預(yù)應(yīng)力荷載的合成扭矩仍然是雙點支承的大。當(dāng)然這種規(guī)律對所有橋梁不一定有普遍性。

4 曲線梁橋下部支承設(shè)計意見

根據(jù)以往的曲線梁橋設(shè)計經(jīng)驗和對幾座曲線梁橋事故的分析，在曲線梁橋選擇支承方式時，提出以下幾點意見，供設(shè)計參考：

對于輕寬的橋（約橋?qū)払＞12m）和曲線半徑較大（一般R＞70m）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(qiáng)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。

對于輕窄的橋（約橋?qū)?B＜12m）和曲線半徑較小（一般約 R＜70m）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。由于橋窄因此易采用獨柱墩，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。在較高的中墩（一般約H＞8m）可采用墩柱與梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)支承形式。在較低的中墩（一般約H＜8m）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(jìn)行調(diào)整。

我國現(xiàn)行的橋梁規(guī)范還未對曲線梁橋最大扭轉(zhuǎn)變形作出限制的規(guī)定。經(jīng)過對幾座曲線梁橋破壞的分析，為保證其安全，在設(shè)計曲線形梁橋時，應(yīng)對其在恒載加酒載的最大扭轉(zhuǎn)變形值加以控制。

墩柱截面的合理選用。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，采用圓形截面墩柱固結(jié)是不經(jīng)濟(jì)的。首先，墩柱受力過大配筋不易通過，僅僅加大墩柱直徑，會使墩柱剛度增加很多，在預(yù)應(yīng)力徑向力作用下墩柱徑向彎短和在溫度荷載作用下縱向彎矩都會增加，合成后的彎矩會更大，更不利于墩柱受力。其次，圓形截面墩柱對主梁的扭轉(zhuǎn)約束相對較小，不利于減小主梁的扭轉(zhuǎn)變形。但對于上述情況的曲線梁橋如采用扁高矩形截面墩柱時，就可有效避免以上不利情況的發(fā)生。因為扁高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，從而達(dá)到墩柱與主梁兩全其美的效果。

在曲線梁橋的中墩和橋臺處不應(yīng)全部設(shè)置為活動支座，應(yīng)至少設(shè)置兩個中墩多向固定支座，在橋臺于主梁側(cè)面立設(shè)置防側(cè)滑裝置。這一點主要是因為采用沒有水平位移約束的活動支座時，曲線梁在汽車活載的離心力和制動力長期反復(fù)作用下容易產(chǎn)生主梁向曲線外側(cè)及汽車制動力方向的水平錯位，一般匝道橋都是單方向行使，所以這種作用力總是朝著固定方向。當(dāng)中墩采用多向活動的盆式支座或球形支座時，在主梁縱坡的影響下，主梁易產(chǎn)生向下的滑動，這種滑動與汽車制動力一致時就更加劇了主梁的水平錯位。這 種變形如任其發(fā)展下去是十分危險的，由于主梁的偏移改變了各支承與主梁的原有位置，使主梁向外偏轉(zhuǎn)傾向更加嚴(yán)重，主梁扭矩也在增加，如不及時處理，嚴(yán)重時可使主梁滑落。

曲線梁橋在進(jìn)行邊墩蓋梁和支座設(shè)計時，由于其橫向各支座反力相差較大，所以對邊墩各支座反力應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間計算后確定，這樣才能計算出反力的最不利值，同時避免邊支座產(chǎn)生負(fù)反力，才能滿足設(shè)計要求。只使用平面桿系程序計算出支點總反力后橫向平均到各個支座上的方法，不適合曲線梁橋。

[1]王家耀.地理信息系統(tǒng)的發(fā)展與發(fā)展中的地理信息系統(tǒng)[J].中國工程科學(xué)，2009-02-15.

[2]周成虎.地理信息系統(tǒng)的新時代:網(wǎng)格地理信息系統(tǒng)[J].地理信息世界，2007-08-25.