基于曲線梁橋的設計研究與分析

張海峰

沈陽市于洪區公路管理處，遼寧沈陽 110024

隨著城市的不斷發展，城市交通問題在城市建設中越來越受到重視，為了緩解日益嚴重的交通擁堵問題，立交橋逐漸成為城市交通中必不可少的交通設施。立交橋通常受已有道路和周圍環境的制約以及滿足未來道路交通的需要，平面內通常采用曲線形式。與直線橋梁相比，因為曲線梁橋彎扭處存在耦合作用，所以其在受力上更加復雜。最近幾年，頻繁出現的曲線梁橋整體側移甚至垮塌的事故，其主要原因就是橋梁支座布置不合理，當然也有其他方面的一些原因。因為橋梁支座的布置實質上決定了全橋的計算圖式，進而影響了全橋的內力分布。

1 應用梁格法進行曲線箱梁空間分析

曲線梁橋橋型的受力特點與傳統的直線梁橋存在著很大的不同，工程師們進行曲線梁橋的設計時，需要重點考慮的問題有很多，例如如何確定結構合理的支撐體系、支座位置以及活載內力、偏心調整、偏載對結構受力產生的影響等。設計曲線梁橋常用的計算方法主要有以下幾種：梁格系分析法、變分原理解析法和數值分析有限元法。在實際設計過程中，梁格法憑借其易于操作和理解以及易于程序化的特點而得到了廣泛的應用。它的基本設計思路是對橋梁上部結構進行離散分解，并設計一個剛度接近等效的梁格體系來代替橋梁上部結構，完成對這種等效梁格的分析后，再將分析結果還原到原結構中，進而取得需要的計算結果。

在工程實踐中，梁格法以其高效、簡便的特點在建筑空間分析方面得到了很多應用。梁格法用等效的梁格來模擬建筑上部的梁結構，對于鋼筋混凝土結構來說，通常按縱橫兩個方向進行配筋，并且混凝土具有較小的泊松比，依據梁格法計算出來的縱、橫兩個方向的彎矩完全可以滿足結構設計的精度要求；此外當梁格的網格設計的足夠密時，經計算得出的翹曲效應可以對實際情況進行等效的反映。梁格法在實踐中有很多應用，例如：實體板結構、空心板結構、單多室箱梁結構和異型板結構等。

在梁格法設計中梁格網格的疏密程度，將對結構模型的計算精度產生直接影響。從理論上講，網格設計的越密越能反映真實結構，但是這樣做會給工程施工帶來很大的不便。因此在工程設計中不能一味的追求反映真實結構，而是需要在工程實踐中要找到一個既能較好的反映結構受力特性又能在施工中方便運用的梁格劃分原則。

梁格法以其簡便且準確、可靠的優點，非常適合工程技術人員來使用。但是它也存在著一些問題，比如未能將剪力滯、扭轉以及畸變產生的截面翹曲等考慮進去，所以在設計中就需要用三維程序來復核計算，來確保計算的準確性。實際上梁格法與三維空間程序在荷載效應計算上是存在著一些差異的，不過差值都在20%以內。這種差異產生的主要原因就是，梁格法通過拆分把連續的箱型結構轉化為梁格體系，結構的整體剛性減小，同時結構的內力分配也相應的發生了變化，此外其橫向聯系也被削弱。這就使得通過梁格法與通過三維實體有限元法分別計算出的結果有偏差。在實際的工程設計中，常用的做法是將梁格法計算出的結果乘以安全系數，以此來確保結構安全。針對梁格法一方面無法體現剪力滯等效應，另一方面無法進行結構細部的應力分析，這些不足都需要空間程序來進行彌補和補充。不過三維實體模型法需要的節點數較多，對其的后期處理也很煩瑣，而梁格法在模型建立階段進行的處理相對簡便易行，計算也比較簡單，得出的結果也相對可靠，相比之下更適合于工程應用。

2 橋梁支座設計

橋梁支座是橋梁上下部的連結節點，是橋梁結構中的關鍵結構。在橋梁中，一方面恒載和活載這樣的豎直荷載將使橋梁發生的豎直方向變形，另一方面如風力、震動力、離心力、以及溫度變化引發的混凝土收縮力等水平方向的各種荷載將使橋梁產生水平方向的變形。此外曲線橋彎扭處有扭矩存在，其對支座的產生多方向不均勻的力。當橋梁的扭矩變大時，橋梁各支座的反力差值就會相應變大，某些時候甚至會產生反向的力。在進行立交橋的匝道橋設計時，由于受跨越道路型式的限制、對美觀的要求以及其他方面的要求，很可能需要設計一些單支座獨柱墩。同時聯端的支座間距大小對梁的支座反作用力也有著較大的影響，一旦處理不當，可能會造成支座脫空，造成嚴重的工程事故。

3 橫梁設計

橫梁在曲線橋中，不僅起到連接主梁和加強結構橫向剛度的作用，同時還是防止結構扭轉確保全橋穩定的重要構件，合理的設置橫梁可以防止主梁截面發生形變，防止其在受力過程中被壓屈變形，利于結構荷載的合理分布，同時更好的滿足施工和運輸的需要。城市中的立交橋從美觀角度出發，采用了大量的連續箱梁，在其下配有比較美觀纖細的橋墩。而為了橋梁的安全行，蓋梁通常采用暗梁，并在其下設置支座與橋墩連接。

4 曲線橋的抗震設計

曲線橋多被用于城市立交匝道或山區路段，它的一大特點就是一聯內墩柱的高度相差很大，比如最高的橋墩高9m，而最低橋墩高度可能為5m。這樣的特點就決定了整座橋的抗震設計重點是在橋梁支座、墩柱和支座的聯合作用等方面的設計。曲線橋橋墩型式伸縮部分采用雙柱墩，雙支座墩應用雙柱墩，單支座墩應用獨柱墩，而支座部分則采用板式支座。在曲線橋中，其橋墩高度的不同和自身型式的差異決定了各墩柱剛度是不同的，在制動力、溫度力等多種水平力的綜合作用下，各墩柱的抗力相差是很大的。這就直接導致了在地震發生時，地震力將剛度較大的低矮橋墩直接剪壞，導致橋梁的垮塌，在近期發生的大地震中就發生了多例曲線橋因橋墩損毀而導致橋梁垮塌的實例。為了使橋墩剛度盡可能的均勻和對稱，在工程實例中我們在選取支座時，首先要使其滿足承載力和抗剪等方面的基本要求，在進行墩柱與支座的聯合剛度計算時，要充分考慮墩柱與支座的聯合作用，確保各橋墩的聯合剛度基本一致，并以此來確定支座型號。橋梁抗震措施的設計也要特別注重，例如高墩中設置聯系梁、設置合理的梁端搭接長度等。此外橋梁延性構造細節設計也很重要。

在實際設計，由于曲線梁橋的受力比較復雜，要采用合理而快捷的方法進行計算，梁格法既滿足了結構受力設計的要求，同時又具有簡便而易于應用的優勢。在合理劃分單元、設置縱橫梁的前提下，梁格法完全可以達到設計精度的要求。在曲線梁的設計中，因為橫梁的設計、支座位置和間距等的設計對整個結構都有重大的影響，所以就需要設計人員根據實際情況進行細致的分析。另外，在曲線梁橋設計中還存在一些問題，如：剪力滯的影響、彎扭問題等，還需要在今后的工作中進一步研究。

5 結論

在建成的橋梁中，存在著很多梁端內側支座“脫空”的現象，主要的原因是橋梁內側支座的反力太小，甚至出現負值的情況。因此我們要保證橋梁內側支座處于受壓狀態，且具有一定的壓力儲備。在應用中比較有效的方法是控制橋梁邊跨跨徑，使中跨跨徑與邊跨跨徑比較接近。當受客觀條件限制，邊跨跨徑與中跨跨徑相差較大時，應該采取其他措施，比如合理調整中跨與邊跨的自重等方法來達到這一要求。

[1]王宇波，劉斌，鄧安泰.大跨曲線箱梁支座反力分析[J].湖南交通科技，2005，31(4)：97-100.

[2]單德山，李喬.高速鐵路曲線粱橋的支座布置形式初探[J].重慶交通學院學報，2001，2O(2)：1-5.