小半徑連續(xù)彎橋設(shè)計(jì)

王令

【摘 要】彎梁箱梁自身受力特征為彎扭耦合，復(fù)雜受力特性增大了設(shè)計(jì)和施工的難度。文章以蘭州至?？诟咚俟窂V西欽州至北海段改擴(kuò)建工程中一座匝道橋的一聯(lián)（4×25 m，R=230 m）為實(shí)例，總結(jié)該橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并闡述小半徑連續(xù)彎橋設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，以期為同類(lèi)型橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】小半徑連續(xù)彎橋;彎剪扭;張拉順序

【中圖分類(lèi)號(hào)】U448.42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）08-0064-02

我國(guó)基建進(jìn)入高速發(fā)展階段，市政橋梁、鐵路橋梁和高速互通橋梁的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略提出實(shí)施城鎮(zhèn)化進(jìn)程。城鎮(zhèn)化進(jìn)程必然帶動(dòng)城市人口的聚集與增加，城市交通量日益增大，用地空間狹小?，F(xiàn)階段，城市以中心向四周環(huán)形網(wǎng)狀不斷發(fā)展。橋梁是城市道路中的一個(gè)地域性的地標(biāo)，能提升城市的形象，帶動(dòng)各行各業(yè)的發(fā)展。彎梁橋的形狀可隨曲線(xiàn)變化而變化，受占地影響小，因此彎橋梁具有獨(dú)特的作用和魅力。小半徑連續(xù)彎橋?yàn)檎麄€(gè)橋梁系統(tǒng)的重要組成部分，特別是在大跨徑彎橋中發(fā)揮了明顯的優(yōu)勢(shì)作用。但該類(lèi)橋梁因彎扭耦合作用改變橋梁受力的特點(diǎn)，使其存在薄弱點(diǎn)，例如傾覆、支座脫空和爬移等問(wèn)題。結(jié)合目前橋梁的修建要求，不僅對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求嚴(yán)格，而且需兼顧橋梁的美觀(guān)性。因此，本文以實(shí)際工程為例，對(duì)小半徑連續(xù)彎橋的抗扭穩(wěn)定性、預(yù)應(yīng)力和溫度效應(yīng)等方面進(jìn)行介紹，特別是對(duì)該類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)和相應(yīng)問(wèn)題的解決辦法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 橋梁簡(jiǎn)介

蘭州至?？诟咚俟窂V西欽州至北海段項(xiàng)目的一座匝道橋中一聯(lián)4×25 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋?qū)?4.75 m，單箱三室，梁高1.6 m，路線(xiàn)曲線(xiàn)半徑R=230 m。本聯(lián)所有橋墩均采用雙支座。運(yùn)用有限元軟件2019 midas/civil建立有限元分析模型分析，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范選用計(jì)算方法（如圖1所示）。

2 梁彎橋的力學(xué)特性

彎梁橋與直橋最大的區(qū)別是彎梁橋存在彎扭耦合效應(yīng)。實(shí)際工程中的彎在梁梁體是曲線(xiàn)形，受力作用下，梁截面產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種變形并疊加起來(lái)相互影響，導(dǎo)致內(nèi)外腹板梁體應(yīng)力不均勻。若小半徑橋梁寬越寬，則曲線(xiàn)外側(cè)腹板比曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)腹板越長(zhǎng)，在彎扭耦合作用下，常常出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空、張拉鋼束后外側(cè)腹板承載不足、內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力超標(biāo)等現(xiàn)象。因此，小半徑連續(xù)彎橋與直橋設(shè)計(jì)最大的不同的就是要考慮彎扭耦合作用，即如何平衡內(nèi)外側(cè)梁體受力不均勻是設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮的重點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 支座的設(shè)計(jì)

彎梁橋設(shè)計(jì)中要考慮對(duì)立與統(tǒng)一的關(guān)系，即要求設(shè)置約束防止滑移和側(cè)傾，但設(shè)置過(guò)多約束不利于橋梁的伸縮[1]。前文提到彎橋存在彎扭耦合作用，導(dǎo)致內(nèi)外梁體受力不均，因此支座的反力也是內(nèi)外不均勻的。這時(shí)，截面的重心與形心不在一處，就會(huì)出現(xiàn)一對(duì)力偶作用、內(nèi)側(cè)支座支反力可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)，造成支座脫空現(xiàn)象。因此，設(shè)置支座的合理位置尤為重要。最簡(jiǎn)便的方式是設(shè)置支座偏心，可以有效地改變橋梁抗傾覆軸線(xiàn)的位置，增大橋梁傾覆穩(wěn)定系數(shù)，使各支座受力均勻且可防止支座脫空現(xiàn)象。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)調(diào)整支座往外偏移20 cm，即在9.6 m寬的底板中設(shè)計(jì)2個(gè)支座，內(nèi)側(cè)支座布置距腹板邊線(xiàn)1.2 m，而外側(cè)支座布置距腹板邊線(xiàn)1 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

從上述兩個(gè)豎向支反力表中可以得出：支座不設(shè)置偏心時(shí)，內(nèi)外側(cè)支反力相差較大，但是滿(mǎn)足規(guī)范要求。當(dāng)設(shè)置支座偏心20 cm時(shí)，內(nèi)外側(cè)豎向支反力大小比較均勻，抗傾覆穩(wěn)定達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.2 預(yù)應(yīng)力布置

在設(shè)計(jì)彎橋時(shí)，鋼束布置對(duì)整橋的受力相對(duì)直線(xiàn)橋要敏感得多，因此是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。首先彎橋的受力有自身的特點(diǎn)，彎梁本身左右側(cè)重量不一致，加上偏心荷載的作用，導(dǎo)致曲線(xiàn)內(nèi)外側(cè)腹板應(yīng)力不均勻。

在布置鋼束時(shí)，彎橋鋼束的摩阻損失相對(duì)直橋大，應(yīng)盡可能地減少鋼束的張拉長(zhǎng)度。如果鋼束設(shè)置不當(dāng)，則在鋼束曲線(xiàn)張拉后易引起爬移、支座脫空等現(xiàn)象，這是在設(shè)計(jì)中需要注意和提防的問(wèn)題。

小半徑連續(xù)彎橋設(shè)計(jì)中應(yīng)合理布置預(yù)應(yīng)力，并注意張拉特點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，可以采取如下措施：調(diào)整施工順序。該梁橋的施工順序是先外側(cè)后內(nèi)側(cè)，即先對(duì)張拉曲線(xiàn)外側(cè)腹板鋼束進(jìn)行施工，再對(duì)內(nèi)側(cè)腹板鋼束進(jìn)行施工[2]。？譺？訛控制張拉長(zhǎng)度。彎橋采用逐孔張拉的施工方法進(jìn)行施工，每孔設(shè)置一道施工縫，可有效減少鋼束的張拉長(zhǎng)度，并保證鋼束的有效應(yīng)力[3]?？刂茟?yīng)力。在縱向鋼束張拉控制應(yīng)力不同的狀況下，腹板內(nèi)應(yīng)力也會(huì)發(fā)生改變[4]。在設(shè)置支座適當(dāng)偏心的情況下，分別設(shè)置內(nèi)外側(cè)縱向鋼束控制應(yīng)力均為75%與內(nèi)外側(cè)鋼束控制應(yīng)力不一致的情況，得出以下結(jié)論：一是內(nèi)外側(cè)鋼束控制應(yīng)力一致時(shí)，本聯(lián)箱梁腹板應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范，但是最外側(cè)左右腹板應(yīng)力相差較大，特別時(shí)截面小鋼束多時(shí)，外側(cè)左右腹板應(yīng)力相差很明顯。二是當(dāng)曲線(xiàn)外側(cè)鋼束控制應(yīng)力在75%，內(nèi)側(cè)鋼束應(yīng)力控制在65%時(shí)或內(nèi)側(cè)鋼束減少鋼束用量時(shí)，內(nèi)外側(cè)腹板應(yīng)力接近，改善了整個(gè)截面的應(yīng)力狀態(tài)。本項(xiàng)目考慮到施工便捷和工期，經(jīng)綜合考慮后采取內(nèi)外側(cè)鋼束控制應(yīng)力為75%，驗(yàn)算腹板斜截面各點(diǎn)應(yīng)力包絡(luò)圖如圖2所示。

按照《橋規(guī)》第6.3.1-8條中的公式σtp≤0.5ftk驗(yàn)算：σtp=0.737 MPa（拉應(yīng)力）≤0.5ftk=1.325 MPa（拉應(yīng)力），該工程梁腹板截面應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

根據(jù)工程自身特點(diǎn)，小跨徑彎橋?yàn)榱耸┕ず?jiǎn)便和縮短工期，也可采取內(nèi)外側(cè)鋼束控制應(yīng)力一致。

3.3 橋?qū)挼脑O(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)彎梁橋時(shí)梁體寬度是影響橋梁受力的主要因素。橋面越寬，汽車(chē)在偏載作用下，梁體所受到的彎扭越大。工程中橋面寬由道路設(shè)計(jì)決定，因此在工程實(shí)際設(shè)計(jì)中可考慮將寬箱梁分成幾個(gè)小箱梁先現(xiàn)澆，然后再把翼緣板連接起來(lái)形成整橋。

3.4 橋墩的設(shè)計(jì)

通常，獨(dú)住墩抗傾覆差，導(dǎo)致整橋側(cè)翻事故頻發(fā)，因此設(shè)計(jì)后期基本采用雙柱或多柱形式，以增強(qiáng)抗傾覆力，但是會(huì)影響視覺(jué)效果[5]。小半徑曲線(xiàn)橋伴橫坡超高及縱坡較大，因此為防止梁體滑移，可采取一聯(lián)中一個(gè)墩中一根柱子與梁體固結(jié)。墩高直接影響柱子及樁基截面的大小，合理的截面設(shè)計(jì)使得橋梁的受力更均勻及尺寸比例協(xié)調(diào)有美感。橋墩沉降量直接影響梁體內(nèi)力重的分配，通常設(shè)計(jì)中控制在1 cm范圍。

3.5 溫度效應(yīng)

溫度疊加的積累效應(yīng)。如何釋放溫度避免溫度疊加產(chǎn)生的積累效應(yīng)？設(shè)計(jì)中，箱梁應(yīng)該留有排氣孔，箱梁內(nèi)外溫度可以及時(shí)傳遞，這樣內(nèi)外溫差不大;選用橋鋪裝時(shí)可選用瀝青鋪裝;后期養(yǎng)護(hù)時(shí)，需經(jīng)常檢查梁體是否能自由伸縮而不被抵死。

4 小結(jié)

小半徑曲線(xiàn)彎梁橋的整體性比裝配式箱梁好且美觀(guān)，能適應(yīng)曲線(xiàn)條變化，比同等跨徑直線(xiàn)橋受力復(fù)雜且橋梁驗(yàn)算項(xiàng)目較多，特別是在彎剪扭同時(shí)伴隨出現(xiàn)時(shí)。本文總結(jié)如下設(shè)計(jì)要點(diǎn)。小半徑彎橋配束時(shí)，預(yù)應(yīng)力徑向力較大，因此必須防止腹板崩裂;箱梁翹曲設(shè)計(jì)工期短、時(shí)間緊、任務(wù)重，建議在選取截面尺寸時(shí)，可以適當(dāng)加高梁高，適當(dāng)減少縱向預(yù)應(yīng)力束配置，便于施工。曲線(xiàn)外側(cè)鋼束可以比曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)鋼束用量多。鋼束張拉順序?yàn)橄葟埨€(xiàn)外側(cè)鋼束，再?gòu)埨€(xiàn)內(nèi)側(cè)鋼束。適當(dāng)使支座偏心設(shè)置，可以增大梁體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)路線(xiàn)曲線(xiàn)半徑小于60 m時(shí)，建議采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土箱梁，跨徑控制在20 m以?xún)?nèi)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]唐宗富，聶玉江，楊昀.超小半徑彎連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)及預(yù)應(yīng)力張拉順序研究[J].黑龍江交通科技，2014（8）：119-123.

[2]陳常明，衛(wèi)紅蕊，等.淺析小半徑連續(xù)彎橋設(shè)計(jì)[J].橋隧工程，2013（2）：102-104.

[3]李軍歌，侯中學(xué).淺談小半徑曲線(xiàn)連續(xù)彎箱梁橋的設(shè)計(jì)[J].江西建材，2014（8）：201-202.

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[5]劉二銘.既有獨(dú)柱墩連續(xù)彎橋抗傾覆穩(wěn)定及其改善措施研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.