山區(qū)曲線橋梁設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

楊方偉

（中榕規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，人員流動(dòng)性大大增加，促進(jìn)了交通行業(yè)的快速發(fā)展，山區(qū)曲線橋梁也得到了廣泛的應(yīng)用。正是因?yàn)榍€橋梁平面曲率的存在，因此設(shè)計(jì)階段的受力分析更為復(fù)雜。相比直線梁橋，曲線橋梁在設(shè)計(jì)過(guò)程中僅考慮剪力和彎矩的影響，忽略了其他不利因素，無(wú)法滿足曲線橋梁自身特性的受力需求，造成當(dāng)前曲線橋梁的設(shè)計(jì)無(wú)法滿足曲線橋梁的承載需求[1-5]。針對(duì)這一情況，首先，從主梁內(nèi)外側(cè)受力、撓曲變形、橫向水平力和支反力方面，分析了曲線橋梁的力學(xué)特性；其次，從經(jīng)濟(jì)性、耐久性和安全性方面，介紹了山區(qū)曲線橋梁的設(shè)計(jì)原則，依托于某山區(qū)曲線橋梁項(xiàng)目，詳細(xì)分析了預(yù)制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案；最后，從結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面，進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，結(jié)果顯示現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 曲線橋梁的力學(xué)特性

由于曲線橋梁存在一定的曲率，在橋梁自重荷載和交通荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)不僅產(chǎn)生豎向變形，還會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，即彎扭耦合作用。在彎扭耦合作用下，曲線橋梁的結(jié)構(gòu)受力存在如下特點(diǎn)。

1.1 主梁內(nèi)外側(cè)受力

在彎扭耦合作用下，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致橋梁外側(cè)受力增大，內(nèi)側(cè)受力減小的問(wèn)題，從而導(dǎo)致橋梁外側(cè)彎曲應(yīng)力增加。主梁內(nèi)側(cè)與外側(cè)在不同荷載作用下，主梁內(nèi)側(cè)腹板與外側(cè)腹板出現(xiàn)應(yīng)力不均的情況，甚至?xí)?duì)主梁內(nèi)側(cè)支點(diǎn)造成較大的影響，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)與支座出現(xiàn)脫離的情況。

1.2 主梁撓曲變形

與直線梁橋一致，曲線橋梁受彎之后會(huì)發(fā)生一定的撓曲變形。與直線梁橋不同的是，曲線橋梁受到扭矩和彎矩共同作用，二者屬于彎扭耦合作用，主梁截面的主拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于直線梁橋的主拉應(yīng)力。主梁內(nèi)外側(cè)會(huì)出現(xiàn)一定的撓度差，在曲線橋梁上，表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)撓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外側(cè)撓度，且撓度差與橋面寬度呈一定的比例關(guān)系。

1.3 橫向水平力

在橋梁結(jié)構(gòu)自重和交通荷載作用下，導(dǎo)致曲線橋梁在水平方向上，產(chǎn)生一定的離心力。同時(shí)考慮到混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變情況，導(dǎo)致曲線橋梁產(chǎn)生較大程度的縱向水平力，主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的橫向水平力，主梁截面出現(xiàn)扭矩，橋墩承擔(dān)一定的彎矩情況。

1.4 支反力差異

根據(jù)曲線橋梁的受力特點(diǎn)分析，主梁外側(cè)曲線的弧長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)曲線的弧長(zhǎng)，造成主梁外側(cè)支座的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)支座的壓力。當(dāng)曲率半徑較小時(shí)，內(nèi)側(cè)支座反力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外側(cè)支座反力，甚至出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座與橋梁分離的情況。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)于內(nèi)側(cè)支座的受力情況進(jìn)行最不利工況分析。

2 山區(qū)曲線橋梁設(shè)計(jì)原則

2.1 經(jīng)濟(jì)性合理

由于山區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循就地取材的原則，同時(shí)充分考慮地形、地質(zhì)條件等因素，涉及材料選取、施工方式選擇和材料運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題。

2.2 耐久性良好

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)年限一般在100 年左右。因此，在山區(qū)曲線橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在保證橋梁承載能力的前提下，采取有效措施，確保橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。例如，增加鋼筋、選擇耐久性混凝土、加大保護(hù)層厚度等設(shè)計(jì)措施，盡量提高和確保山區(qū)曲線橋梁設(shè)計(jì)的耐久性。

2.3 安全性可靠

由于山區(qū)的地形較為復(fù)雜，因此在山區(qū)曲線橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮地形坡度、溶洞、泥石流和滑坡等地形地貌，同時(shí)降水量和氣溫變化也會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，應(yīng)充分考慮影響結(jié)構(gòu)承載的所有因素，在確保承載能力的前提下，采取各種措施，避免橋梁結(jié)構(gòu)在外界影響下發(fā)生破壞事故。

3 方案比選分析

3.1 工程概況

某穿越山區(qū)的橋梁，平曲線半徑R=75.0m，橋梁寬度W=9.0m，最大縱坡為4.0%，橋面橫坡為4.0%，橋墩最大高度為39.0m。對(duì)于高墩和小半徑橋梁，多采用現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。由于橋墩較高，采用支架工程的風(fēng)險(xiǎn)較大，施工困難較大。

3.2 設(shè)計(jì)方案分析

針對(duì)上述情況，在設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)預(yù)制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案，從施工、結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面進(jìn)行綜合分析，確定最優(yōu)的橋梁設(shè)計(jì)方案。

3.2.1 預(yù)制梁方案

關(guān)于預(yù)制梁方案，采用工廠預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，采用吊裝施工。由于不需要搭設(shè)支架，具有施工速度快、費(fèi)用低和施工風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)，因此在高墩橋梁施工中得到了較為廣泛的推廣應(yīng)用。

雖然，高墩橋梁采用預(yù)制梁方案具有較多的優(yōu)點(diǎn)，但是多應(yīng)用于平曲線半徑不小于200.0m 的曲線橋梁。對(duì)于平曲線半徑僅為75.0m 的曲線橋梁，如果采用預(yù)制梁方案則會(huì)存在諸多問(wèn)題，具體如下：

（1）平曲線半徑為75.0m，主梁內(nèi)外側(cè)梁長(zhǎng)差別較大，高達(dá)2.3m，主梁跨中撓度不同，極易造成橋面不平順，甚至出現(xiàn)主梁開(kāi)裂的病害。由于各梁在梁端端頭處的角度差別大，也會(huì)在較大程度上造成梁體預(yù)制及隔板濕接縫施工困難。

（2）由于平曲線半徑較小，主梁內(nèi)外側(cè)弦弧差別較大，高達(dá)75.5cm，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)于主梁結(jié)構(gòu)的橫向偏心較大，結(jié)構(gòu)上緣的拉應(yīng)力過(guò)大。

（3）采用架橋機(jī)架設(shè)。由于曲線半徑過(guò)小，導(dǎo)致架橋機(jī)喂梁、過(guò)孔施工較為困難。

（4）由于平曲線較小，導(dǎo)致護(hù)欄呈折線形，行車(chē)視覺(jué)誘導(dǎo)性較差，極易造成安全事故。預(yù)制梁方案示意圖如圖1 所示。

圖1 預(yù)制梁方案示意圖

3.2.2 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案

根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁適用于平曲線半徑小于200.0m 的橋梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于高墩小半徑的曲線橋梁，由于支架施工風(fēng)險(xiǎn)較高，采用鋼管樁支架可以大大減小施工風(fēng)險(xiǎn)。以下針對(duì)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案進(jìn)行分析。

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案可以適當(dāng)增加橋梁跨徑，橋梁整體的外觀較為優(yōu)美。該橋梁橋墩高度H=39.0m，上部結(jié)構(gòu)可采用3×25m 橋跨組合，其中每一孔可采用3組鋼管樁支架進(jìn)行支架現(xiàn)澆施工。其中，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁截面如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案截面示意圖

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的小半徑結(jié)構(gòu)也具有自身結(jié)構(gòu)的劣勢(shì)，如預(yù)應(yīng)力鋼束引起的徑向力會(huì)造成主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的支座反力較大，甚至造成內(nèi)側(cè)支座脫空；箱梁過(guò)大的扭矩造成結(jié)構(gòu)裂縫，甚至影響主梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

3.2.3 鋼-混組合梁方案

鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，是開(kāi)口鋼箱梁和混凝土橋面板通過(guò)剪力鍵進(jìn)行連接的組合結(jié)構(gòu)。因?yàn)榻M合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼材抗拉和混凝土抗壓的特點(diǎn)，具有自重輕、跨越能力強(qiáng)、抗扭剛度大和高度低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)施工周期較短，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于鋼-混組合梁橋的施工工藝，目前多采用臨時(shí)支架法和頂推法施工工藝。作為鋼-混組合梁橋最為常見(jiàn)的施工工藝，臨時(shí)支架法往往在拼接處設(shè)置臨時(shí)支架，分段吊裝就位后，采用栓接連接形成整體。頂推法要求箱梁高度一致，平曲線和豎曲線為同一曲率，一般的曲線橋梁無(wú)法滿足頂推法施工的工藝要求，因此鋼-混組合梁橋的施工多采用少支架法。

該橋梁上部結(jié)構(gòu)采用3×35m 鋼-混組合梁橋，單箱雙室截面，鋼板梁采用Q345 鋼材，頂板采用C50 現(xiàn)澆混凝土板，下部結(jié)構(gòu)采用板式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。鋼-混組合梁斷面如圖3 所示。

圖3 鋼-混組合梁斷面示意圖

鋼-混組合梁橋的橋面板縱橋向采用A 類(lèi)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。采用工廠加工制作鋼箱梁，然后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)；拼裝完成后，整體澆筑橋面板；張拉預(yù)應(yīng)力后，拆除臨時(shí)支架；最后完成橋面附屬設(shè)施施工。

由于結(jié)構(gòu)受力和抵消混凝土橋面板收縮徐變的影響，需要在橋墩墩頂施加一定的預(yù)應(yīng)力，在邊墩支座中產(chǎn)生一定的負(fù)反力，可以通過(guò)在邊墩支座上澆筑混凝土壓重解決。

3.3 方案比選

關(guān)于預(yù)制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案的合理性和適用性，以下從結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面綜合考慮。

3.3.1 結(jié)構(gòu)受力

從結(jié)構(gòu)受力方面考慮，3 種方案的結(jié)構(gòu)受力均能滿足承載要求，尤其是鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土的材料性能，適用性更強(qiáng)。

3.3.2 施工便捷性

從施工便捷性方面考慮，預(yù)制梁方案由于平曲線半徑較小，導(dǎo)致模板種類(lèi)繁多，但采用架橋機(jī)架設(shè)，無(wú)須搭設(shè)支架，因此施工便捷性最好?，F(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案均需要搭設(shè)支架。相比現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案，鋼-混組合梁方案臨時(shí)支架較少，且直接承載要求不高，風(fēng)險(xiǎn)較小，施工更為便捷?，F(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案需要搭設(shè)滿堂支架或者采用鋼管樁方案，針對(duì)該橋梁，鋼管樁方案是最優(yōu)方案，支架風(fēng)險(xiǎn)性較高。

3.3.3 經(jīng)濟(jì)性

從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，預(yù)制梁方案的經(jīng)濟(jì)性最好，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案的經(jīng)濟(jì)性稍差，鋼-混組合梁方案的經(jīng)濟(jì)性最差。

3.3.4 耐久性

從耐久性方面考慮，預(yù)制梁方案和現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案的耐久性較好，且全壽命周期的維護(hù)費(fèi)用較低；鋼-混組合梁方案的耐久性略差，且鋼箱梁對(duì)于運(yùn)營(yíng)環(huán)境的濕度要求較高，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用略高。

從結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面綜合考慮，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案最優(yōu)，因此設(shè)計(jì)建議采用此方案。鋼-混組合梁方案雖然在經(jīng)濟(jì)性和耐久性方面不占優(yōu)勢(shì)，但是其在高地震烈度區(qū)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，得益于其質(zhì)量輕、地震力小，可以有效減小下部結(jié)構(gòu)的尺寸和配筋。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

對(duì)于山區(qū)曲線橋梁，除了結(jié)構(gòu)受力，山區(qū)曲線橋梁的基本尺寸和支座布置與直線梁橋也存在較大差異，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1 基本尺寸

4.1.1 頂?shù)装宄叽鐔?wèn)題

曲線橋梁的頂板厚度應(yīng)控制在18～30cm，在跨中位置的底板厚度應(yīng)控制在15～25cm。在橋墩位置的頂、底板厚度應(yīng)大于跨中位置，為后續(xù)布置預(yù)應(yīng)力束提供空間。

4.1.2 腹板厚度

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的腹板厚度，不僅取決于腹板承擔(dān)剪力，還取決于預(yù)應(yīng)力束的布置，厚度應(yīng)控制在40～50cm。在支點(diǎn)附近的腹板應(yīng)適當(dāng)加厚，有利于滿足腹板預(yù)應(yīng)力束平彎和錨固的要求。

4.1.3 翼緣板尺寸

對(duì)于曲線橋梁翼緣板的尺寸，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。寬度過(guò)大，會(huì)造成剪力滯現(xiàn)象較為明顯，在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的難度；寬度過(guò)小，則會(huì)降低截面設(shè)計(jì)要求。因此設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加翼緣板的寬度，優(yōu)化主梁承擔(dān)的彎矩。

4.2 支座布置

對(duì)于山區(qū)曲線橋梁，支座布置與直線梁橋存在一定的區(qū)別，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。其一，可在中間跨設(shè)置鉸支座，在端頭位置設(shè)置具有一定剪切位移的抗扭支座。其二，除了在端部、中間位置設(shè)置抗扭支座，在其他位置可考慮設(shè)置鉸支座。其三，為了優(yōu)化曲線橋梁扭矩，中心位置鉸支座可做一定的偏心處理，有助于提高曲線橋梁的抗扭轉(zhuǎn)能力。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著山區(qū)高速公路的快速發(fā)展，小半徑曲線橋梁得到了一定的推廣應(yīng)用，但需要對(duì)其結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性進(jìn)行進(jìn)一步研究。在分析山區(qū)曲線橋梁結(jié)構(gòu)受力特性的基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)性、耐久性和安全性方面提出了山區(qū)曲線橋梁的設(shè)計(jì)原則。基于某山區(qū)曲線橋梁項(xiàng)目，從預(yù)制梁方案、連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，對(duì)比分析了預(yù)制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案，結(jié)果顯示現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案綜合優(yōu)勢(shì)較為明顯。