山區(qū)曲線橋梁設(shè)計問題的探討

馮學(xué)俊

摘 要：地形阻礙與道路整體線形的布置對山區(qū)橋梁的設(shè)計過程產(chǎn)生了較大的不良影響，若僅僅采用直線線形將無法滿足具體的指標要求。本文簡述了曲線橋梁的受力特性與分析方法，并就不同曲率下的橋梁空間進行了深入分析，希望能夠為同行業(yè)工作者提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：山區(qū);曲線橋梁;設(shè)計問題;空間

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A

0 引言

山區(qū)曲線橋是我國交通事業(yè)發(fā)展道路上的重要內(nèi)容，其與地形完美融合的線形流暢特性使得其既能夠提供給人們以視覺舒適感，也能夠最大限度的消除駕駛疲勞。曲率的存在使得在設(shè)計曲線橋時，要比直線橋的設(shè)計流程更加復(fù)雜。我國曲線橋發(fā)展時間并不長，經(jīng)驗缺乏的情況下使得曲線橋設(shè)計往往只考慮到了剪力與彎矩，曲線橋自身特性分析受力環(huán)節(jié)的缺失，使得最終設(shè)計無法達到預(yù)期標準。針對該問題，應(yīng)在建立曲線橋設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，對支座反力、應(yīng)力較差等問題進行深入分析，以完全掌握指標實時變化情況，從而達到完善曲線橋梁設(shè)計的目的。

1 曲線橋受力特性

第一是兩側(cè)撓度差異。一旦承受彎矩變形就將會產(chǎn)生撓度，尤其是扭矩與彎矩共同作用在橋梁結(jié)構(gòu)時將會使結(jié)構(gòu)兩側(cè)形成撓度差，通常情況下外側(cè)撓度大于內(nèi)側(cè)撓度，二者之差與橋面寬度之間呈現(xiàn)成比例關(guān)系;第二是兩側(cè)應(yīng)力差異。曲線橋梁結(jié)果在對稱荷載作用下將會出現(xiàn)較大扭矩，繼而形成外側(cè)應(yīng)力較大而內(nèi)側(cè)應(yīng)力較小的現(xiàn)象[1];第三是在曲線橋的兩側(cè)經(jīng)常會出現(xiàn)支反力差異現(xiàn)象。對于曲線橋來說最大的特點就是外側(cè)弧長大于內(nèi)側(cè)弧長，該種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)支座壓力要遠遠小于外側(cè)支座壓力。一旦曲率半徑縮小至一定范圍內(nèi)，將產(chǎn)生內(nèi)側(cè)支座與橋梁之間分離的現(xiàn)象;第四是橫梁作用。橫梁剛度較大，這使得其在整個橋梁結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著保持穩(wěn)定性的重要作用。

2 曲線橋的具體分析方式

當下主要應(yīng)用在曲線橋中的分析方式主要包括梁格系理論（箱梁與主梁）、正交異性板理論（變截面曲線橋）、有限單元法（全部曲線橋）、有限條法（截面高度不變）以及能量法（設(shè)置支撐的連續(xù)彎梁橋）[2]。為保證研究的有效性，本文選擇應(yīng)用有限單元法。所謂有限單元法簡單來說就是加權(quán)殘值法與變分原理的綜合，求解過程主要為有限的不重疊單元。不同單元應(yīng)確定函數(shù)解析的插值點，在加權(quán)殘值法或變分原理的幫助下形成對應(yīng)的線性表達式，最后離散求解微分方程。

3 不同曲率條件下橋梁空間分析

3.1 工程概況

本文所研究的工程為某山區(qū)橋梁的一部分，箱梁截面的長為60 m，寬為10 m，其底板的寬度為7.5 m，厚度為22 cm與20 cm;按照預(yù)先設(shè)計的標準其半徑應(yīng)控制在200 m左右，梁的高度為1.8 m，有12 cm厚的上部結(jié)構(gòu)中墊層混凝土的應(yīng)用需求，表面則鋪設(shè)10 cm厚的瀝青混凝土。

3.2 構(gòu)建模型

本文在專業(yè)軟件的輔助下構(gòu)建了曲線橋梁模型，通過對其曲率的相應(yīng)變化研究支反力與扭矩等指標。本文所研究的工程所選擇的最終曲率為r=60 m、100 m、200 m、500 m以及1 km。

3.3 支反力變化分析

在應(yīng)用軟件對所選取的橋梁截面進行分析后（端部截面、跨中截面以及中間支點截面），能夠得出有關(guān)外側(cè)支座反力的相關(guān)數(shù)據(jù)，相應(yīng)數(shù)據(jù)如圖1所示。從圖中我們可以看到，所計算的三個位置呈現(xiàn)出的變化可以總結(jié)為：半徑的不斷增大使得內(nèi)側(cè)支反應(yīng)力也在同時增大，而外側(cè)的支反力卻在不斷減小。尤其是在半徑為60 m～500 m的范圍內(nèi)，也表現(xiàn)出了較大的支反力增幅度，其外側(cè)的支反力減小幅度也較為明顯;若身處同一半徑范圍，則通常情況下內(nèi)側(cè)的支反力要小于外側(cè)的支反力，且在半徑不斷增大的情況下，同一位置的內(nèi)外側(cè)支反力數(shù)值一般相同。

3.4 扭矩的變化分析

在所構(gòu)建的模型基礎(chǔ)上選擇應(yīng)用專業(yè)的計算軟件能夠知曉，曲率的不同變化將會使曲線橋的兩端扭矩同時變化，具體的變化值如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)我們可以看到，曲線橋梁半徑增大則梁端的扭矩變化幅值也將會同時表現(xiàn)出較大的變化幅度。例如半徑從60 m增加至100 m的情況下，扭矩也會減少3 242.17 kN·m;半徑從100增加至200時，扭矩值也會同時減小1 909.69 kN·m。按照這一規(guī)律以此類推能夠發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律：在扭矩不斷減小的情況下半徑卻在不斷增大，此時也就說明在曲線橋上所產(chǎn)生的扭矩逐漸減小。幅值變化情況則反映出在半徑增大的情況下扭矩的減小幅度也同時在縮減，這一點在半徑500 m至1 km的增加結(jié)果中能夠較為明顯的看到，其扭矩的幅度值僅僅只減小了272.65 kN·m。

由此可以總結(jié)出如下規(guī)律：若曲線橋所處的外部環(huán)境因素保持不變，半徑增大扭矩反而會越來越小;半徑達到500 m時，隨著半徑的不斷增大扭矩的變化幅度也將會逐漸趨向于平穩(wěn)。

3.5 鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的深入分析

由于曲線橋的特殊性，使得在對其進行設(shè)計時若想對預(yù)應(yīng)力進行分析具有較大的難度，主要原因是由于若有預(yù)應(yīng)力的存在將同時會產(chǎn)生次應(yīng)力，繼而對鋼筋布置情況產(chǎn)生較大的影響，這就需要在對曲線橋進行受力分析時應(yīng)將關(guān)注重點放在預(yù)應(yīng)力上。相關(guān)工作人員應(yīng)在進行受力分析時與曲線橋的自身特點相結(jié)合，并聯(lián)系模型對不同曲率條件下的曲線橋預(yù)應(yīng)力的實時損失變化情況進行深入分析研究，具體情況如表2所示。計算后所獲得的數(shù)據(jù)如圖2所示。

若選擇應(yīng)用后張法所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失主要包括混凝土收縮變化、錨具變形、混凝土彈性壓縮、鋼筋與管道的摩擦以及鋼筋回縮等。這些因素所對材料造成的影響與曲線橋的半徑并沒有過多聯(lián)系，從對預(yù)應(yīng)力的損失影響進行分析后能夠看出鋼筋與管道之間所存在的摩擦是導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)過多損失的主要原因。

從以上的數(shù)據(jù)能夠分析出，一旦曲線橋的半徑數(shù)據(jù)發(fā)生變化，伴隨著半徑的不斷增大所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失也將會同時變小，一旦達到800 m這一標準后預(yù)應(yīng)力的損失變化幅度也將會逐漸縮減;曲率半徑不變的條件下由于橋面板寬度的特殊性，使得即使是同一截面的內(nèi)側(cè)、外側(cè)以及中間部位也將會產(chǎn)生不同的預(yù)應(yīng)力損失，整體呈現(xiàn)出內(nèi)大于中大于外的趨勢。但該種趨勢變化伴隨著曲線橋半徑的不斷增大也將會逐漸趨向于平緩。

3.6 總結(jié)

曲率半徑減小將會使得內(nèi)側(cè)的支反力也會同時減小，而外側(cè)的支反力卻會同時增大，這一變化趨勢在半徑60 m～

500 m的范圍內(nèi)表現(xiàn)的最為明顯;若在半徑相同的條件下，一般來說內(nèi)側(cè)支反力要小于外側(cè)，半徑不斷增大將會使得同一位置的內(nèi)外側(cè)支反力數(shù)值也會逐漸趨向于等同;若外部條件相同，曲線橋曲率半徑的逐漸縮減將會使得其扭矩相應(yīng)增大。達到500 m后扭矩的變化幅度將會逐漸趨向于平穩(wěn)，從這一點中可以總結(jié)出應(yīng)選擇應(yīng)用抗扭支座作為梁端支座;即使是在同一界面上不同位置的預(yù)應(yīng)力損失也會存在差異，半徑在800 m以上的情況下預(yù)應(yīng)力損失變化幅度逐漸趨向于平穩(wěn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，曲線橋是我國交通事業(yè)發(fā)展過程中的重要部分，作為設(shè)計人員應(yīng)從多個角度對曲線橋的設(shè)計過程進行深入分析，包括支反力、預(yù)應(yīng)力以及扭矩等。需要注意的是曲線橋梁出現(xiàn)彎扭耦合是常見現(xiàn)象，該種現(xiàn)象所產(chǎn)生的作用不能被忽視?？紤]到曲線橋梁的復(fù)雜性，因此應(yīng)對其受力進行分析時聯(lián)系周圍環(huán)境條件，以消除設(shè)計安全隱患。

參考文獻：

[1]何中鵬.預(yù)應(yīng)力混凝土曲線橋梁設(shè)計探析[J].交通世界，2019（32）：115-116.

[2]宋健.車橋耦合作用下曲線橋的動力響應(yīng)分析[D].石家莊鐵道大學(xué)，2018.