預應力砼曲線梁橋設計

張彥波

（北京國道通公路設計研究院，北京 100053）

預應力砼曲線梁橋設計

張彥波

（北京國道通公路設計研究院，北京 100053）

文章簡要介紹了曲線梁橋的結構受力特性，并通過對某互通式立交C匝道橋的計算分析，明確了調整邊界條件可以改善曲線梁橋的支點反力和扭矩的分布。

曲線梁橋；受力特性；支點反力；扭矩；設計

目前，曲線梁橋在公路及城市道路中的數量逐年增加，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、地物、占地面積，以及實現道路的轉向功能等因素的影響，匝道橋上部結構多為小半徑的曲線梁橋，并且設置較大超高值；對于下部結構，為了減少占地、增加視野以及考慮橋梁的美觀等因素，中墩往往采用獨柱形式。由于匝道橋具有彎、坡、斜、異形等特點，給橋梁的構造處理和結構分析帶來很大困難。

1 曲線梁橋結構受力特性

曲線梁最主要的力學特性是“彎—扭”耦合作用，即曲線梁在承受豎向彎曲時，由于曲率的影響，必然會產生扭轉；而在這種扭轉作用下又將產生撓曲變形。

1.1 變形方面

為彎曲和扭轉兩者的迭加，曲線梁中曲線外側的撓度大于內側的擾度。在曲線梁的梁端可能出現“翹曲”。當曲線梁的梁端處橫橋向約束較小時，梁體有向曲線外側滑移的趨勢。

1.2 撓度方面

在曲線梁橋中，無論荷載是否偏心都會產生彎矩和扭矩。由于扭矩的作用，會出現曲線梁的外梁超載、內梁卸載的現象。

1.3 反力方面

砼曲線梁橋的支點反力，有曲線外側梁變大、內側梁變小的傾向，當活載偏置或曲率半徑、靜荷載比較小時，內側支座甚至會出現負反力。

2 工程實例

2.1 工程概況

某互通式立交C匝道橋橋梁全長215 m，寬10.5 m。上部結構為(2×45+30)m預應力砼箱梁+(27+33+35)m預應力砼箱梁；下部結構為柱式橋墩,鉆孔灌注樁基礎。

圖1 箱梁外形圖

這里主要介紹第二聯27+33+35 m預應力砼連續箱梁，第二聯位于圓曲線上，R=122 m，箱梁梁高1.8 m，頂面寬10.22 m，底面寬6.22 m，懸臂板寬度為2.0 m，采用C50砼現澆。箱梁外形圖見圖1（尺寸單位以cm計）。

2.2 根據曲線梁的受力特性，在設計中應采取多種措施

曲線梁主要靠調整跨徑和邊界條件等方式來使結構變形和結構受力更為合理。預應力鋼束引起的扭矩隨彎曲半徑的減小而增大，總的扭矩隨跨長而增大。通過調整預應力鋼束的徑向偏心距來消除曲線梁內過大的扭矩，改善主梁的受力狀態也是一種有效的辦法，可在曲線梁軸線兩側采用不同的預應力鋼束及錨下控制應力，構成預應力鋼束應力的偏心，形成內扭矩來調整曲線梁扭矩分布。

在此橋設計中，主要采用不同的約束方式來使整個結構體系更加合理。此橋采用MIDAS CIVIL進行空間結構分析，平面與實際線形一致，預應力鋼束完全按空間體系考慮，計算按實際施工順序分階段進行。采用不同的邊界條件進行計算，對比在不同約束下，結構的受力狀態。

（1）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點鉸結約束，支撐點位于橋中心線上。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表1。

表1 梁端支點反力表

由表1可以看出：主梁在恒載、基本組合、短期效應組合及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓。但3#墩在基本組合的情況下，曲線梁內側最小支點反力僅為39.5kN，支座壓力儲備太小，可能會出現支座“脫空”的現象。在恒載作用下，曲線梁內外側支點反力相差較大。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為1469.3kN·m和-8 002.2 kN·m；6#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為9 099.7 kN·m和-567.8 kN·m，分布起伏較大，會對主梁產生不利影響。根據支點反力及扭矩的分布情況，應調整約束方式。

（2）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點固結約束，支撐點位于橋中心線上。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表2。

表2 梁端支點反力表

由表2可以看出，主梁在恒載、基本組合、短期效應組合以及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓，曲線梁內側支點反力增大，不會出現支座“脫空”的現象。在恒載作用下，曲線梁內、外兩側支點反力差值減小。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為1 760.8 kN·m和-5 818.8 kN·m；6#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為7 284.1 kN·m和-831.7 kN·m，與第一種情況相比，分布范圍減小。比較以上兩種情況，可知，中墩采用墩梁固結，可以大大減小曲線梁梁端內、外兩側支點反力的差值，梁內扭矩峰值也減小，改善了曲線梁的受力狀況。

（3）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點固結約束，支撐點沿主梁徑向向曲線外側移20 cm。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表3。

表3 梁端支點反力表

由表3可以看出，主梁在恒載、基本組合、短期效應組合以及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓，曲線梁內側支點反力進一步增大，不會出現支座“脫空”的現象。在恒載作用下，曲線梁內、外兩側支點反力差值進一步減小。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為2 836.2 kN·m和-4 775.7 kN·m；6#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為6 334.8 kN·m和-1 799.6 kN·m，與第二種情況相比，分布范圍進一步減小。

（4）邊墩（3#墩、6#墩）設雙點約束，支撐點距橋中心線各2.51 m；中墩設單點固結約束，4#、5#墩支撐點分別沿主梁徑向向曲線外側移30 cm和35 cm。通過計算，得出曲線梁梁端各支點反力，見表4。

表4 梁端支點反力表

由表4可以看出，主梁在恒載、基本組合、短期效應組合以及長期效應組合的情況下，支點反力均為正值，支座均受壓，且曲線梁內側支點反力進一步增大，不會出現支座“脫空”的現象。在恒載作用下，曲線梁梁端內、外兩側支點反力已基本接近。另外，在恒載和移動荷載作用下，3#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為3 451.3 kN·m和-4 188.1 kN·m；6#墩處主梁內扭矩的最大值與最小值分別為5 687.7 kN·m和-2 459.0 kN·m，與第3種情況相比，分布范圍進一步減小。

比較上述幾種情況，可知，設置支座預偏心，對梁端的支點反力及扭矩影響很大，可以大大減小曲線梁梁端內、外兩側支點反力的差值，可以避免支座“脫空”的現象，增加了橋梁的側向穩定性。而且，設置支座預偏心，在一定程度上改善了主梁的內扭矩分布，使最大扭矩和最小扭矩同時增大或同時減小，最終可使兩者的絕對值趨于相等。

本聯第一跨、第三跨跨徑分別為27 m和35 m，對應梁端分別為3#墩和6#墩，由以上4個表可以看出，不論在哪種約束條件下，6#墩處支點反力總大于3#墩處支點反力。說明邊跨跨徑越大，支點反力越大，梁端越不易產生支座“脫空”的現象。

4 結束語

曲線梁橋上部結構主要受力特性就是“彎—扭”耦合。曲線梁橋常會出現梁端內側支座“脫空”，梁端部橫橋向“爬移”等現象。扭矩過大對于曲線梁截面的受力也是非常不利的。因此，在曲線梁橋的設計中，要采取有效措施，對不利因素加以控制，以便提高橋梁的安全性和耐久性。

The Curved Girder Bridge Design of Prestressed Concrete

Zhang Yanbo

This paper brieflyintroduces the force characteristics ofcurved girder bridge structure,analyzes by an interchange C ramp bridge's calculation,and defines that the boundary conditions can be adjusted to improve the fulcrum reaction force of curved girder bridge and torque distribution.

curved girder bridge;force characteristics;fulcrumreaction forces;torque;design

U449.1

A

1000-8136(2011)05-0061-02

張彥波，男，1972年6月出生，畢業于西安公路交通大學（現長安大學），高級工程師。