試論曲線梁的平衡設(shè)計要點

仲照紅

（廣州特希達科技有限公司，廣東佛山 528300）

0 前言

交通業(yè)快速發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)越加發(fā)達，為了讓城市交通更加順暢，越來越多的曲線梁橋搭建起來，成為城市一道別樣的風(fēng)景線。北京的立交橋一直是這個城市的特色,在立交橋的建設(shè)中，曲線梁橋?qū)崿F(xiàn)了四面八方的交通相互之間的連接。曲線橋的建造不僅僅能實現(xiàn)其功能性，還可以為城市的規(guī)劃建設(shè)增添一道優(yōu)美的風(fēng)景線。曲線梁橋縮短了橋梁的長度和橫向跨度，大大降低了建設(shè)成本與物料，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益。一般情況下，建設(shè)匝道橋是針對交通功能有特殊要求或者因為地形條件所限，所以，通常會選擇曲線橋、異形變寬橋等橋體類型。較之直線跨度的橋梁結(jié)構(gòu)，曲線橋所受的力較為復(fù)雜，因此，對橋梁設(shè)計者提出了較高要求，他們在設(shè)計之前需要對這種結(jié)構(gòu)的受力特點進行充分而深入的了解。由于這種結(jié)構(gòu)不僅需要承擔(dān)彎矩與剪力，還要受到翹曲雙力矩與扭矩的雙重壓力，所以，采用混凝土材料進行現(xiàn)澆，來抵抗扭矩的作用。

1 曲線梁橋設(shè)計計算理論

對曲線梁橋加以分析可采用以下幾種理論：單純扭轉(zhuǎn)、翹曲扭轉(zhuǎn)理論，夾層板法等。在橋梁建筑領(lǐng)域，諸多學(xué)者都專門對如何計算曲線梁橋做過論述。近些年，互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，計算機技術(shù)的日新月異，使得實現(xiàn)對它的空間計算變得不那么遙遠(yuǎn)。

曲線梁橋受力和它自身一些特征息息相關(guān)，比如說它的曲率半徑R、跨徑L，以及支承形式等。該領(lǐng)域內(nèi)的專家們會根據(jù)曲線梁橋的不同結(jié)構(gòu)形式，采取諸如解析法、數(shù)值法等計算方式進行計算。但是在選擇什么方法來進行時，首先必須明確曲線梁橋想要采取的方法滿不滿足其假定條件,如此先做出判斷，就可以更好地在計算的時候依據(jù)實際情況予以結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 曲線箱梁結(jié)構(gòu)受力特點

直線橋若不出現(xiàn)偏心荷載，就不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生力矩，但是在曲線橋中，即便存在對稱荷載，扭矩也在所難免，扭矩的出現(xiàn)讓外梁承載更多荷載以致發(fā)生超載現(xiàn)象，而此時內(nèi)梁的荷載則得到緩解，如果曲線半徑恰好較小，橋面又很寬，那么內(nèi)梁與外梁之間轉(zhuǎn)移的荷載差距就會加大。所以，曲線橋的設(shè)計較之直線橋復(fù)雜得多，有時候會造成配筋與橋面尺寸消耗過大。內(nèi)外梁所承擔(dān)的荷載差別很大，如果遇到活載偏置，負(fù)反力極有可能出現(xiàn)在內(nèi)梁上。變形在曲線橋結(jié)構(gòu)中較之直線橋普遍得多，幅度也大得多，且曲線橋的曲率半徑R越小，橋面越寬，變形越明顯。

3 曲線箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 曲率半徑的影響

主梁彎曲幅度直接影響了彎箱梁橋的受力情況，由于橋體的曲率半徑無法全方位將橋體彎曲的程度反映出來，這主要是受限于半徑一致的情況下，彎曲程度還會受到橋體跨徑的影響，所以，主梁的彎曲幅度一般采用跨長L與曲率半徑R的比值來作為計算參數(shù)，即：參數(shù)x=L/R，這個參數(shù)值就是主梁圓心角。

3.2 支承方式的設(shè)計

（1）曲線橋設(shè)計中存在很多可供參考的技巧點，比如在主梁上端與橋面連接處，選擇兩個點或者多個點來承受荷載的支座，這樣的支承方式能提升主梁在水平方向的抗扭性,使得橋體在水平方向維穩(wěn)。

（2）在結(jié)構(gòu)體的墩支承處運用支承，方式多種多樣，目前常用的有雙柱中墩、獨柱中墩、墩的頂部設(shè)置鉸支座（這種情況下鉸支座往往要進行偏心設(shè)置）、獨柱墩頂和梁進行固結(jié)（這種情況，橋墩能承載一些來自主梁的扭矩，進而約束扭轉(zhuǎn)變形）等幾種。

據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)曲線梁橋面臨支承方式的選擇時，需要注意以下幾點：

a.當(dāng)橋面較寬、曲線半徑均較大時，主梁的彎扭耦合作用小，這種情況下不適合設(shè)置在每個跨度之間采取獨柱墩支承，選擇多支座來承擔(dān)支承作用，效果較好，因為這種方式可承載的抗彎矩效果明顯。此外，墩柱和梁進行固結(jié)的方式也是不錯的選擇。

b.當(dāng)橋面跨度、曲線半徑均小的情況下，適合選擇獨柱墩，不過，選擇前還要充分考慮到墩柱高度。當(dāng)高度較大時，墩柱和梁進行固結(jié)的支承方式不失為最佳選擇，當(dāng)高度較小的時候，單點支承就足夠了。

c.上述情況下，當(dāng)墩柱較高，往往選擇墩柱和梁進行固結(jié)來支承，這時候最好選擇截面為矩形的墩柱。矩形截面的好處在于沿主梁垂直方向其抗彎剛度小，沿水平方向其抗彎剛度則很大。所以，這種選擇能節(jié)省配筋，降低主梁在水平方向的扭轉(zhuǎn)變形，對橋體支承效果更好。

d.受扭的跨度切忌過長。抗扭支承與抗扭支承之間跨度不適合太長。若橋體中部的墩下設(shè)置點鉸支承，當(dāng)發(fā)生活載偏心時，產(chǎn)生的扭矩會直接傳遞給最近的孔，孔的扭矩一一積累至梁端，梁體的抗扭支承不足以承擔(dān)這些扭矩，導(dǎo)致整個橋體的扭矩形成了不均勻的分配，這對于結(jié)構(gòu)的受力極為不利。

3.3 水平溫度力特點及減小水平力的措施

熱脹冷縮，混凝土發(fā)生收縮時，會引起橋體橫向位移，該位移直接導(dǎo)致曲率半徑改變，但是不會影響圓心角。當(dāng)混凝土收縮，橋體產(chǎn)生內(nèi)力，出現(xiàn)橫向彎矩和軸向力的同時也會出現(xiàn)水平剪力。

（1）溫度變化,橋體通常都會產(chǎn)生橫向內(nèi)力。橋面L數(shù)值越大，曲率半徑R越小，受承支座對橫向位移產(chǎn)生越大的約束力。

（2）溫度變化，支座之上的梁通常發(fā)生很小的位移。因此，在進行橋體支座的設(shè)計時，最好不要固定橋體在水平方向的位移,因為，哪怕只是很小的水平位移都能極大程度地降低支座、梁體對溫度力的承受能力。

（3）因為橋體的各個支座，徑向約束力往往會在梁軸向切線產(chǎn)生分力，因此梁體內(nèi)往往會產(chǎn)生數(shù)值較大的軸向力。

（4）同一墩臺上，避免設(shè)置若干自動支座，不然墩臺在水平方向就會收到較大轉(zhuǎn)動力矩，這個力矩難免會將支座剪壞。

3.4 預(yù)應(yīng)力筋束的設(shè)計

曲線梁橋的跨徑超過20 m的情況下，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)往往是常用的選擇。據(jù)橋體的受力特征，不僅要承載直線橋體的剪力、彎矩，還要承載部分扭矩。如果想把抵抗這部分扭矩，通常措施分為以下幾種：

（1）內(nèi)、外側(cè)腹板各根據(jù)自身特性布設(shè)線形不一的預(yù)應(yīng)力束；

（2）內(nèi)、外側(cè)腹板布設(shè)統(tǒng)一線形預(yù)應(yīng)力束，不過保持不同的張拉力；

（3）頂板、底板各布設(shè)橫向曲率完全相反的抗扭鋼束；

（4）預(yù)應(yīng)力束布設(shè)橫向徑向偏心；

（5）人為將橋體中墩支承點設(shè)置為預(yù)偏心；

（6）為抵御截面內(nèi)力，布設(shè)非預(yù)應(yīng)力鋼筋。

4 曲線箱梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造要點

4.1 調(diào)整支座偏心改善曲線梁橋受力的平衡設(shè)計

在無論哪種結(jié)構(gòu)體系中，都遵守平衡設(shè)計原理。結(jié)構(gòu)自身必須先達到平衡，它才能讓自己保持穩(wěn)定，才能更好地抵抗來自外界不夠穩(wěn)定的荷載。如果結(jié)構(gòu)自身都不能保持穩(wěn)定，那么當(dāng)它遇到外界不利于其穩(wěn)定的荷載時，結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)極大的安全隱患。對于橋體對稱的結(jié)構(gòu)，其自身處在平衡狀態(tài)下,內(nèi)力分布與橋體的變形均保持一致，即便出現(xiàn)微小數(shù)值差異，也可以忽略不計。當(dāng)外部活荷載出現(xiàn)并作用給橋體時，各個梁體就會發(fā)生水平方向上的不對稱位移和內(nèi)力分布。因此主梁在扭矩作用下發(fā)生變形，只有當(dāng)外部活載消失，主梁才能再度保持平衡。這種情況只是出現(xiàn)在直線橋體結(jié)構(gòu)中，對于曲線梁橋，則沒有這么簡單。如果各個墩臺的位置分布與直橋布置一致,受到來自平面上曲率的作用，曲線梁受到垂直方向自重力與預(yù)應(yīng)力作用，內(nèi)梁、外梁在垂直方向會產(chǎn)生變形。這個變形還是不均勻的，此時，主梁就會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，且變形幅度很大，甚至出現(xiàn)梁端支座間的數(shù)厘米脫空。這種情況還是指不考慮外界活荷載的情況。如果活載出現(xiàn)，這一變形將繼續(xù)增大，若對此變形置之不理，則橋梁事故的發(fā)生將在所難免。所以，橋體的前期設(shè)計工作要充分考慮到這些影響因素，最大程度地規(guī)避這種情況，避免造成經(jīng)濟和人身安全的雙重?fù)p失。

4.2 預(yù)應(yīng)力鋼束對曲線橋梁內(nèi)力的影響

預(yù)應(yīng)力鋼束、曲線梁兩者之間可組成空間受力體。在梁體橫向、縱向上，預(yù)應(yīng)力鋼束的作用力往往可以被簡化，有軸向壓力和均布力兩種。這個徑向力的大小取決于鋼束的張拉力與曲率半徑比值。張拉力不變的情況下，當(dāng)半徑越小，徑向力越大。

預(yù)應(yīng)力鋼束在平面上會發(fā)生彎曲，沿梁縱向上也會產(chǎn)生豎向彎曲。那么鋼束的徑向力落在什么位置往往會沿主梁縱向不斷變化。如果這個作用點處在梁體界面的剪切中心上部或者下部時，徑向力會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力作用于主梁，作用點在上部與在下部，產(chǎn)生的扭矩在方向上也是截然相反的。把這兩者數(shù)值相加得到的就是鋼束作用給梁體的整體扭轉(zhuǎn)效果。曲線梁的結(jié)構(gòu)特點決定了它通常會向外偏轉(zhuǎn)。對于橋體的梁體來說，它都必然會承擔(dān)彎矩和扭轉(zhuǎn)作用。所以這個抵抗力的來源，主要依托于預(yù)應(yīng)力鋼束。

4.3 曲線梁橋其他問題及構(gòu)造要求

對于曲線梁橋來說，其預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的徑向力通常很大，當(dāng)曲率半徑小時這種徑向力則更大。因此，在進行曲線梁橋的設(shè)計工作時，需要充分考慮到梁體的腹板內(nèi)混凝土施加的壓力。因為這種壓力如果過大，會造成腹板崩裂、鋼束崩出梁體，所以配置足夠的鋼筋來防止這種情況是設(shè)計時需要切記的。當(dāng)橋體的曲率較大時，單純只是調(diào)整墩柱的偏心，往往不能消除梁體因為發(fā)生扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的支座負(fù)反力，這時候就要參考扭轉(zhuǎn)的方向，在梁體內(nèi)外側(cè)布設(shè)配重混凝土來實現(xiàn)問題的解決。

曲線梁橋的橋面寬度很小的時候，要放大箱體寬度，從而將懸臂長度縮小。這樣才能更好地提升主梁自身的抗扭性能。在溫度作用下，曲線梁橋發(fā)生位移，梁面發(fā)生彎曲和直線橋體發(fā)生的變化不再相同，梁端的伸縮縫這時候就需要滿足可以沿垂直和水平兩個方向進行伸縮，伸縮量較之同跨徑的直線橋體自然要大。

鋼筋的配置需要滿足截面的抗扭力。箱梁的底板需要在上、下層鋪設(shè)橫向筋，在頂板的上、下層鋪設(shè)橫向筋，在腰板上配置互相搭接的箍筋，這些鋼筋的配置構(gòu)成矩形，以抗扭轉(zhuǎn)。曲線橋的預(yù)應(yīng)力會發(fā)生很大消耗，因此，需要在主梁的中部位置中增加短預(yù)應(yīng)力鋼束。施工的時候，需要按橋體受力特征進行設(shè)計。主梁的施工需要分段進行，未完成前它還不具備抗扭能力,因此，應(yīng)在梁的分段處、支點處增設(shè)強力支架，對現(xiàn)澆混凝土梁要在其外側(cè)加強支架。為避免產(chǎn)生裂縫，箱梁懸臂位置無須布設(shè)強力支架。

5 結(jié)語

曲線梁橋與直線梁橋比起來，有自身的特征，當(dāng)梁體承擔(dān)來自垂直方向的彎曲時，受曲率作用會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)與彎曲結(jié)合在一起互相作用會促使曲線梁橋受到的應(yīng)力更加復(fù)雜，變形也趨于復(fù)雜。所以在進行設(shè)計與施工的時候，需要綜合考慮很多影響因素，讓橋梁結(jié)構(gòu)更加安全、可靠。

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