基于獨(dú)柱支承的曲線匝道橋梁設(shè)計(jì)

高代強(qiáng) 耿傳鵬

（西安中交遠(yuǎn)洲工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710065）

建設(shè)階段和使用階段，通常比較重視橋梁使用年限期間安全問(wèn)題，在建設(shè)階段容易忽視橋梁所面臨的各種相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，安全，和穩(wěn)定問(wèn)題。在二十世紀(jì)60年代以前，傳統(tǒng)的搭材為圓木、方木、萬(wàn)能桿等重型鋼木材料，用這些材料不做計(jì)算和設(shè)計(jì)，但要用掉大量木材和鋼材，一般也能滿足穩(wěn)定性要求，工作量和耗資都比較大。事實(shí)上，橋梁在其使用年限中，在施工過(guò)程中，很少遇到設(shè)計(jì)中的最大荷載，常因支撐承載力不足，而引發(fā)意外的倒塌事故。60年代以后，隨著各種新型鋼管腳手架的出現(xiàn)，特別是近幾年來(lái)，工程上逐漸采用了鋼管支架支撐。由于受地形，匝道的設(shè)計(jì)往往受到多種因素限制。地物和占地面積的影響，曲線梁橋在公路立交中應(yīng)用已非常普遍。這就決定了匝道橋具有以下特點(diǎn)，所以匝道橋的寬度比較窄，匝道有別于主干道，一般匝道多為一或兩車(chē)道。由于匝道用來(lái)實(shí)現(xiàn)道路的轉(zhuǎn)向功能，尤其在匝道設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣。在曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，所以匝道橋多為小半徑的曲線梁橋。為改善下部結(jié)構(gòu)布局、減少占用土地、增加視野和橋形美觀，在大型立交中匝道的規(guī)模有時(shí)也在增大，其下部墩往往往采用獨(dú)柱支承方式。匝道橋往往設(shè)置較大縱坡，有時(shí)還需跨越主干道，匝道不僅跨越下面的非機(jī)動(dòng)車(chē)道，這就增大了匝道橋的長(zhǎng)度。必須對(duì)其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)有充分的了解，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，這種形式的曲線梁橋受力狀態(tài)較為復(fù)雜，全面綜合考慮各種因素對(duì)主梁及墩柱的不利影響。

1 獨(dú)柱支承橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

曲線梁橋受力特點(diǎn)，由于主梁的平面彎曲使得下部結(jié)構(gòu)墩，是相對(duì)于直橋而言的，往的支承點(diǎn)不在同一條直線上，但是在曲線梁橋中，從而造成曲線梁橋的受力狀態(tài)與直橋有著很大差別。由于自重和預(yù)應(yīng)力荷載作用，預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用相當(dāng)大。所產(chǎn)生的扭矩和扭轉(zhuǎn)變形是不容忽視的，構(gòu)成了其獨(dú)有的受力特點(diǎn)，在主梁自重和預(yù)應(yīng)力鋼束作用下，對(duì)直橋而言，由于荷載是對(duì)稱(chēng)的，在大曲率、較大跨徑的曲線梁橋中，對(duì)主梁并不產(chǎn)生扭矩和扭轉(zhuǎn)變形。主梁組合最大扭矩值有時(shí)，由于橋梁下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱支承方式，可達(dá)縱向最大彎矩值的50%以上。由于主梁的扭轉(zhuǎn)傳遞到梁端部時(shí)，因此交承點(diǎn)的位置對(duì)結(jié)構(gòu)受力尤為重要。會(huì)造成端部各支座橫向受力分布嚴(yán)重不均，此外由于獨(dú)柱支承的曲線匝道橋梁中間支點(diǎn)，甚至使支座出現(xiàn)負(fù)反力。抗扭能力弱，以增加橋梁的整體穩(wěn)定性。所以必須在橋梁兩端部設(shè)置抗扭支承，還有汽車(chē)荷載的偏心布置及其行使時(shí)的離心力，并增加主梁扭矩和扭轉(zhuǎn)變形。也會(huì)造成曲線梁橋向外偏轉(zhuǎn)，必須結(jié)合自重，對(duì)其在承受縱向彎曲，預(yù)應(yīng)力和汽車(chē)活載等荷載，扭轉(zhuǎn)和翹曲作用下，充分考慮其結(jié)構(gòu)的空間受力特點(diǎn)，進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，才能得到安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜合以上，故在獨(dú)柱支承的曲線匝道橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，曲線梁橋受力特點(diǎn)，只采用橫向分布簡(jiǎn)化計(jì)算方法，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行全面的整體的空間受力計(jì)算分析，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 支承方式對(duì)內(nèi)力分布影響

曲線梁橋的不同支承方式，根據(jù)其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)一般采用的支承方式，對(duì)其上、下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常大，采用兩點(diǎn)或多點(diǎn)支承的支座，在曲線梁橋兩端的橋臺(tái)或蓋梁處，這種支承方式可有效地提高主梁的橫向抗扭性能，在曲線梁橋的中墩支承處，保證其橫向穩(wěn)定性。可采用的支承形式很多，應(yīng)根據(jù)其跨徑、平面曲率、墩柱截面和墩柱高度及預(yù)應(yīng)力鋼束作用力，對(duì)于中墩支反力接近或超過(guò)10000kN，不同來(lái)合理地選用支承方式。曲線梁橋可采用單向，墩頂采用方板或圓板橡膠支座，多向活動(dòng)或固定的盆式支座或球型支座。這種方式適用于中墩支反力10000kN 以下曲線梁橋梁，對(duì)梁有較弱的扭轉(zhuǎn)約束，板式橡膠支座能夠提供一定的抗扭能力，水平方向容許有剪切變形。這種支座可根據(jù)，但是這種支座對(duì)主梁的扭轉(zhuǎn)沒(méi)有約束，受力需要固定或放開(kāi)某方向的水平約束，根據(jù)以往的曲線梁橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這時(shí)主梁在橫向和縱向可自由扭轉(zhuǎn)。對(duì)于輕寬的橋和曲線半徑較大的曲線梁橋，橋體寬要求主梁增穩(wěn)定性，由于主梁扭轉(zhuǎn)作用較小，故在中墩宜采用，可采用墩柱與梁固結(jié)的支承形式。具有抗扭較強(qiáng)的多柱或多支座，采用雙柱中墩，或在選用矩形寬柱上設(shè)置雙點(diǎn)支承。對(duì)于輕窄的橋和曲線半徑較小的曲線梁橋，這方式對(duì)主梁可提供較大的扭轉(zhuǎn)約束。由于主梁扭轉(zhuǎn)作用的增加，主梁橫向扭矩和扭轉(zhuǎn)變形很大。尤其在預(yù)應(yīng)力鋼力的作用下，在中墩可采用墩柱與梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)支承形式。在中墩可采用具有較弱抗扭能力的單點(diǎn)支承的方樣，由于橋窄因此易柱墩，可有效降低墩柱的彎短和減小主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形。但在選用支承結(jié)構(gòu)形式，這兩方式都需對(duì)橫向支座偏心進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)視墩柱高度不同而確定，我國(guó)現(xiàn)行的橋梁規(guī)范，經(jīng)過(guò)對(duì)幾座曲線梁橋破壞的分析，還未對(duì)曲線梁橋最大扭轉(zhuǎn)變形作的規(guī)定。在設(shè)形梁橋時(shí)，為保證其安全，最大扭轉(zhuǎn)變形值加以控制。

3 調(diào)整支座改善曲線梁橋平衡設(shè)計(jì)

3.1 平衡設(shè)計(jì)

平衡設(shè)計(jì)的原理適用于任何結(jié)構(gòu)體系，這樣它才會(huì)處于最穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)結(jié)構(gòu)首先要到達(dá)自身的平衡。才有能力抵抗更不穩(wěn)定的活荷載，對(duì)于曲線梁橋，如果中間各墩的支承位置，情況就不一樣了，也像直橋那樣布置在橋梁中線上。由于平面曲率的影響，內(nèi)外梁會(huì)產(chǎn)生向上或向下的不均勻變形，曲線梁在自重和預(yù)應(yīng)力荷載作用下，也就是說(shuō)會(huì)使主梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，是用肉眼能直接觀察到的變形，實(shí)踐證明這種變形是相當(dāng)大的，有的可使梁端部支座脫空幾厘米。反之，再遇到不利的活荷載，當(dāng)結(jié)構(gòu)本身就處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)。雖然有足夠的抗扭配筋，在活載作用下這種變形會(huì)加大，結(jié)構(gòu)的安全性就會(huì)受到挑戰(zhàn)，對(duì)這種結(jié)構(gòu)如不進(jìn)行處理，也會(huì)造成重大橋梁事故。但是這種情況，其中最經(jīng)濟(jì)而又有效的方法，可在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施加以避免，就是調(diào)整中間交座的橫向位置，以使曲線梁達(dá)到類(lèi)似直梁的平衡狀態(tài)，使支座向與曲梁扭矩相反的方向偏移一定的距離。

3.2 遵循原則

支架支撐形式的選擇不是任意的，還要考慮施工要求和施工經(jīng)驗(yàn)，除了支撐本身的特點(diǎn)外，確保桿部件連接節(jié)點(diǎn)規(guī)范，工作可靠。傳力明確，發(fā)展系列化配套產(chǎn)品，使立桿盡可能的承受軸心荷載，以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合和荷載情況的要求。避免或減少荷載的偏心作用，用水平桿和斜桿承受水平力。支架支撐系統(tǒng)的承載力，取決于結(jié)構(gòu)形式，桿件的承載力和節(jié)點(diǎn)性能，以及整體的穩(wěn)定性。若受力不明確，就難以對(duì)其安全可靠性做出科學(xué)的判斷。包括節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，用加強(qiáng)整體連接件確保支架支撐的整體穩(wěn)定性。通過(guò)采用定型的桿配件，即受荷后產(chǎn)生過(guò)大的水平變位。一般水平桿件定型、實(shí)現(xiàn)支架構(gòu)造尺寸的規(guī)范化，垂直和角變位。減少搭設(shè)的隨意性，立桿任意且桿部件控制在12 種之內(nèi)。

結(jié)論

綜合以上，充分考慮其結(jié)構(gòu)的空間受力特點(diǎn)，進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，才能得到安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。故在獨(dú)柱支承的曲線匝道橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，曲線梁橋受力特點(diǎn)，只采用橫向分布簡(jiǎn)化計(jì)算方法，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行全面的整體的空間受力計(jì)算分析，影響曲線梁橋結(jié)構(gòu)的因素很多，還有很多難題尚有待進(jìn)一步研究。

[1] 邵容光.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社，1997.5.

[2] 孫廣華.曲線梁橋計(jì)算[M].北京:人民交通出版社，1998.11.

[3] 新鄉(xiāng)至鄭州高速公路工程管理及專(zhuān)業(yè)技術(shù)論文集[M].河南人民出版社.