彎橋設計淺談

陳志亮

廣州市公路勘察設計有限公司

彎橋設計淺談

陳志亮

廣州市公路勘察設計有限公司

介紹了彎橋的受力特點,并分析了彎橋設計時應考慮和注意的一些問題。

彎橋;受力特點；結構設計;彎扭;耦合

1 概 述

近年來,隨著城市建設的快速發(fā)展,城市基礎設施也要求越來越完善，彎橋在現(xiàn)代化的公路及城市道路橋梁中的應用也越來越普遍。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、地貌和占地面積及城市美化等因素的影響，使得高架結構和立交結構橋梁有彎、斜及異型的特點，橋梁平面線型設計受到一定的制約，而彎橋相比于直線橋對地形地貌的適應性較強，能很好地解決這個問題。彎橋為彎扭耦合作用下復雜的空間受力結構。其受力性能與橋梁的曲率半徑、跨徑、截面形式、寬跨比、抗彎剛度、抗扭剛度、支座的約束形式以及外荷載類型等有關。

2 彎橋的受力特點

2.1 梁體的彎扭耦合作用

彎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。但是彎橋的受力比較復雜。

彎橋工作的特點主要取決于曲率大小的影響。當垂直荷載作用于彎橋上時，彎橋將同時產(chǎn)生彎矩和扭矩，并且相互影響，造成彎橋力學分析的復雜性。與直線橋相比,彎橋的受力性能有如下特點: (1)梁體的彎扭耦合作用,即梁截面內產(chǎn)生彎矩的同時，必然地伴隨著產(chǎn)生耦合扭矩，同理，在產(chǎn)生扭矩的同時也伴隨著產(chǎn)生相應的耦合彎矩。梁截面處于彎扭共同作用的狀態(tài)，其截面主拉應力往往比相應的直梁橋大得多，這是彎主要的受力特點。(2)彎橋在外荷載的作用下，還會出現(xiàn)橫向彎矩。(3)由于彎扭耦合作用，彎橋的變形比同樣跨徑直線橋要大，外邊緣的撓度大于內邊緣的撓度，而且曲率半徑越小、橋越寬，這一趨勢越明顯。同時在梁端可能出現(xiàn)翹曲，當梁端橫橋向約束較弱時，梁體有向彎道外側“爬移”的趨勢。

在彎橋中,由于存在較大的扭矩,因而通常會出現(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。當活載偏置時，內側可能產(chǎn)生負反力，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。

2.2 下部橋梁墩臺的受力情況

由于內外側支座反力相差較大,使各墩柱所受垂直力出現(xiàn)較大差異。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。

彎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,還因為彎曲率的存在,多了離心力和預應力張拉時產(chǎn)生的徑向力。

由于彎橋受力比較復雜，設計時應進行全面的空間受力計算分析。應對其在承受縱向彎曲、扭轉和翹曲變形作用下，結合自重、預應力、溫度力和活載等荷載進行詳細的受力分析，只有充分考慮了彎橋的受力特點，才能做到安全可靠的結構設計。

3 彎橋的結構設計

直線橋受“彎、剪”作用，而彎橋處于“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。

3.1 上部結構設計

目前曲線梁橋的受力計算一般借助于計算機來完成，分析方法較多，如：M/R法、一根曲線梁法、梁格分析法、有限元和有限條法等，而梁格法在設計單位得到較為廣泛應用。

3.1.1 M/R法

這種方法是彎橋計算的一種簡易分析方法，它是建立在純扭轉理論基礎上的。根據(jù)文獻資料提供的數(shù)據(jù)，M/R法的近似程度主要取決于中心角、彎曲、扭轉的剛度比及兩端的約束條件。在此方法中，受彎和扭轉應分別計算。用拉直曲線梁至其全部展開長度的相應直梁以確定彎矩、豎向剪力；扭轉采用共軛梁法。

3.1.2 一根曲線梁法

這種方法也是建立在純扭轉理論基礎上的，并且彎橋的上部結構也是用一根彈性桿件來代表的。只不過這種方法應用更為廣泛，例如，沿梁軸不僅可以作用有均布扭矩，還可以作用有集中扭矩；橫截面也可以不對稱；中心角的大小、彎曲與扭轉剛度比以及兩端的約束條件，都不影響計算結果精度。

3.1.3 梁格法

梁格法是目前最常用的分析彎橋的方法。它易于理解，便于使用，并且是比較精確的方法，因此在各種類型的橋梁分析中廣泛應用。此方法主要要點是：根據(jù)結構的形式和性能將上部結構離散為縱、橫交錯的網(wǎng)格，把分散在梁每一區(qū)格內的抗彎和抗扭剛度假定集中于最鄰近的等效的梁格內，即縱向剛度集中于縱向梁內、橫向剛度集中于橫向梁內，盡量使模型與實際受力狀態(tài)吻合。當結構原型和等效梁格承受形同的荷載時，它們的撓曲變形相等，并且在任一梁格內的彎矩、剪力和扭矩均等于它們所代表的那一部分上部結構的內力。但是由于結構原型和梁格模型有著不同的結構特性(例如梁格之間結構不連續(xù)，梁格的節(jié)點上應力集中)，因此這種假定只能是近似的。一般來說，梁格網(wǎng)越密，這種近似性就越好?，F(xiàn)在運用梁格法計算理論編制而成的橋梁計算軟件越來越多，如同濟大學開發(fā)的“橋梁博士”和北京邁達斯技術有限公司開發(fā)的“midas Civil”等都有梁格法計算方法。

3.1.4 有限元法和有限條法

有限元法是計算彎橋最有效的分析方法，其精度取決于所采用的單元模型。這種方法常采用空間梁單元、板殼單元以及實體單元來模擬結構,能計算任意形狀的復雜結構。板殼單元以和實體單元可以充分計入翹曲、畸變、剪力滯等的影響，計算精度高，但其結果為應力狀態(tài)，用于設計配筋顯得相當麻煩。

有限條法是有限元法的特殊形式，它們的區(qū)別在于單元的位移函數(shù)不同。有線條法常用于解決規(guī)則結構和簡單邊界條件，它不能考慮內橫隔板的作用。

3.2 支承和下部分析

彎橋的不同支承方式，對其上、下部結構內力影響非常大。對于連續(xù)彎橋，中間支承一般分抗扭型支承(多支點或墩梁固結）和獨柱點鉸支承。對于較寬的橋(一般橋寬>12m)和曲線半徑較大(一般R>100m)的彎橋，主梁設計一般扭轉較小，故設抗扭支承比設點鉸支承比較合理；對于較窄的橋(一般橋寬<12m)和曲線半徑較小(一般R<100m)的彎橋，主梁設計扭轉較大，一般將中間墩布置成獨柱點鉸支承。橋體端部支承一般設置成多支點抗扭型支承。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。

設置抗扭型支承需注意：當橋墩高度較矮時，也即墩柱相對剛度較大時，應選擇多支點支承；當橋墩高度較高時，中墩可采用墩柱與梁固結的結構支承形式。

彎橋橋墩受力除了與直橋一樣要承受自重、車輛荷載、溫度力、地震力等外,還要承受離心力、彎梁內預應力產(chǎn)生的徑向力等。這樣彎橋橋墩受力較直橋復雜，而且橋墩所受的外力方向常發(fā)生變化，計算需考慮雙向偏心,墩柱采用圓形截面比較合理。

4 彎橋設計應注意的幾個問題

4.1 彎橋的支座設置要合理，正確設置支座預偏心，使得上部梁體受力合理，減少配筋。

支承方式的不同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,然后決定結構的支承方式。

4.2 彎橋箱梁橋的橫隔板設置要比相應的直橋有所加強，應適當?shù)脑O置內橫隔板，否則橫斷面畸變引起的畸變應力可能會超過受彎正應力。

4.3 橋寬較窄的彎橋宜加大箱體寬度減少懸臂長度，以增大主梁抗扭能力。

4.4 對于設預應力的彎橋，由于預應力鋼束產(chǎn)生的水平力很大，需設置一定的防崩鋼筋，否則容易引起腹板崩裂和鋼束崩出主梁。

5 結論

本文主要介紹了彎橋的受力特點和一些設計方法，彎橋由于其結構受力的復雜性，在進行設計和計算時應引起足夠的重視。

[1]吳西倫.彎梁橋設計.北京：人民交通出版社.1990

[2]姚玲森.混凝土彎橋設計.北京：人民交通出版社.1990

[3]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范.JTG D62-2004

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.016