預應力砼曲線梁橋設計

張彥波

（北京國道通公路設計研究院，北京 100053）

預應力砼曲線梁橋設計

張彥波

（北京國道通公路設計研究院，北京 100053）

文章簡要介紹了曲線梁橋的結構受力特性，并通過對某互通式立交C匝道橋的計算分析，明確了調(diào)整邊界條件可以改善曲線梁橋的支點反力和扭矩的分布。

曲線梁橋；受力特性；支點反力；扭矩；設計

目前，曲線梁橋在公路及城市道路中的數(shù)量逐年增加，尤其在互通式立交的匝道橋設計中應用更為廣泛。由于受地形、地物、占地面積，以及實現(xiàn)道路的轉向功能等因素的影響，匝道橋上部結構多為小半徑的曲線梁橋，并且設置較大超高值；對于下部結構，為了減少占地、增加視野以及考慮橋梁的美觀等因素，中墩往往采用獨柱形式。由于匝道橋具有彎、坡、斜、異形等特點，給橋梁的構造處理和結構分析帶來很大困難。

1 曲線梁橋結構受力特性

曲線梁最主要的力學特性是“彎—扭”耦合作用，即曲線梁在承受豎向彎曲時，由于曲率的影響，必然會產(chǎn)生扭轉；而在這種扭轉作用下又將產(chǎn)生撓曲變形。

1.1 變形方面

為彎曲和扭轉兩者的迭加，曲線梁中曲線外側的撓度大于內(nèi)側的擾度。在曲線梁的梁端可能出現(xiàn)“翹曲”。當曲線梁的梁端處橫橋向約束較小時，梁體有向曲線外側滑移的趨勢。

1.2 撓度方面

在曲線梁橋中，無論荷載是否偏心都會產(chǎn)生彎矩和扭矩。由于扭矩的作用，會出現(xiàn)曲線梁的外梁超載、內(nèi)梁卸載的現(xiàn)象。

1.3 反力方面

砼曲線梁橋的支點反力，有曲線外側梁變大、內(nèi)側梁變小的傾向，當活載偏置或曲率半徑、靜荷載比較小時，內(nèi)側支座甚至會出現(xiàn)負反力。

2 工程實例

2.1 工程概況

某互通式立交C匝道橋橋梁全長215 m，寬10.5 m。上部結構為(2×45+30)m預應力砼箱梁+(27+33+35)m預應力砼箱梁；下部結構為柱式橋墩,鉆孔灌注樁基礎。

圖1 箱梁外形圖

這里主要介紹第二聯(lián)27+33+35 m預應力砼連續(xù)箱梁，第二聯(lián)位于圓曲線上，R=122 m，箱梁梁高1.8 m，頂面寬10.22 m，底面寬6.22 m，懸臂板寬度為2.0 m，采用C50砼現(xiàn)澆。箱梁外形圖見圖1（尺寸單位以cm計）。

2.2 根據(jù)曲線梁的受力特性，在設計中應采取多種措施

曲線梁主要靠調(diào)整跨徑和邊界條件等方式來使結構變形和結構受力更為合理。預應力鋼束引起的扭矩隨彎曲半徑的減小而增大，總的扭矩隨跨長而增大。通過調(diào)整預應力鋼束的徑向偏心距來消除曲線梁內(nèi)過大的扭矩，改善主梁的受力狀態(tài)也是一種有效的辦法，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，構成預應力鋼束應力的偏心，形成內(nèi)扭矩來調(diào)整曲線梁扭矩分布。

在此橋設計中，主要采用不同的約束方式來使整個結構體系更加合理。此橋采用MIDAS CIVIL進行空間結構分析，平面與實際線形一致，預應力鋼束完全按空間體系考慮，計算按實際施工順序分階段進行。采用不同的邊界條件進行計算，對比在不同約束下，結構的受力狀態(tài)。

（1）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點鉸結約束，支撐點位于橋中心線上。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表1。

表1 梁端支點反力表

由表1可以看出：主梁在恒載、基本組合、短期效應組合及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓。但3#墩在基本組合的情況下，曲線梁內(nèi)側最小支點反力僅為39.5kN，支座壓力儲備太小，可能會出現(xiàn)支座“脫空”的現(xiàn)象。在恒載作用下，曲線梁內(nèi)外側支點反力相差較大。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為1469.3kN·m和-8 002.2 kN·m；6#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為9 099.7 kN·m和-567.8 kN·m，分布起伏較大，會對主梁產(chǎn)生不利影響。根據(jù)支點反力及扭矩的分布情況，應調(diào)整約束方式。

（2）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點固結約束，支撐點位于橋中心線上。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表2。

表2 梁端支點反力表

由表2可以看出，主梁在恒載、基本組合、短期效應組合以及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓，曲線梁內(nèi)側支點反力增大，不會出現(xiàn)支座“脫空”的現(xiàn)象。在恒載作用下，曲線梁內(nèi)、外兩側支點反力差值減小。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為1 760.8 kN·m和-5 818.8 kN·m；6#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為7 284.1 kN·m和-831.7 kN·m，與第一種情況相比，分布范圍減小。比較以上兩種情況，可知，中墩采用墩梁固結，可以大大減小曲線梁梁端內(nèi)、外兩側支點反力的差值，梁內(nèi)扭矩峰值也減小，改善了曲線梁的受力狀況。

（3）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點固結約束，支撐點沿主梁徑向向曲線外側移20 cm。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表3。

表3 梁端支點反力表

由表3可以看出，主梁在恒載、基本組合、短期效應組合以及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓，曲線梁內(nèi)側支點反力進一步增大，不會出現(xiàn)支座“脫空”的現(xiàn)象。在恒載作用下，曲線梁內(nèi)、外兩側支點反力差值進一步減小。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為2 836.2 kN·m和-4 775.7 kN·m；6#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為6 334.8 kN·m和-1 799.6 kN·m，與第二種情況相比，分布范圍進一步減小。

（4）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點固結約束，4#、5#墩支撐點分別沿主梁徑向向曲線外側移30 cm和35 cm。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表4。

表4 梁端支點反力表

由表4可以看出，主梁在恒載、基本組合、短期效應組合以及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓，且曲線梁內(nèi)側支點反力進一步增大，不會出現(xiàn)支座“脫空”的現(xiàn)象。在恒載作用下，曲線梁梁端內(nèi)、外兩側支點反力已基本接近。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為3 451.3 kN·m和-4 188.1 kN·m；6#墩處主梁內(nèi)扭矩的最大值與最小值分別為5 687.7 kN·m和-2 459.0 kN·m，與第3種情況相比，分布范圍進一步減小。

比較上述幾種情況，可知，設置支座預偏心，對梁端的支點反力及扭矩影響很大，可以大大減小曲線梁梁端內(nèi)、外兩側支點反力的差值，可以避免支座“脫空”的現(xiàn)象，增加了橋梁的側向穩(wěn)定性。而且，設置支座預偏心，在一定程度上改善了主梁的內(nèi)扭矩分布，使最大扭矩和最小扭矩同時增大或同時減小，最終可使兩者的絕對值趨于相等。

本聯(lián)第一跨、第三跨跨徑分別為27 m和35 m，對應梁端分別為3#墩和6#墩，由以上4個表可以看出，不論在哪種約束條件下，6#墩處支點反力總大于3#墩處支點反力。說明邊跨跨徑越大，支點反力越大，梁端越不易產(chǎn)生支座“脫空”的現(xiàn)象。

4 結束語

曲線梁橋上部結構主要受力特性就是“彎—扭”耦合。曲線梁橋常會出現(xiàn)梁端內(nèi)側支座“脫空”，梁端部橫橋向“爬移”等現(xiàn)象。扭矩過大對于曲線梁截面的受力也是非常不利的。因此，在曲線梁橋的設計中，要采取有效措施，對不利因素加以控制，以便提高橋梁的安全性和耐久性。

The Curved Girder Bridge Design of Prestressed Concrete

Zhang Yanbo

This paper brieflyintroduces the force characteristics ofcurved girder bridge structure,analyzes by an interchange C ramp bridge's calculation,and defines that the boundary conditions can be adjusted to improve the fulcrum reaction force of curved girder bridge and torque distribution.

curved girder bridge;force characteristics;fulcrumreaction forces;torque;design

U449.1

A

1000-8136(2011)05-0061-02

張彥波，男，1972年6月出生，畢業(yè)于西安公路交通大學（現(xiàn)長安大學），高級工程師。