有關(guān)曲線橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算分析

朱 眾，周曉璽，李宏亮

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州貴陽(yáng) 550000；2.貴州高速公路集團(tuán)有限公司,貴州貴陽(yáng) 550000）

0 引言

現(xiàn)階段，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市交通體系中城市立交得到迅速發(fā)展，我國(guó)道路等級(jí)得以不斷提高，使得曲線橋梁得到設(shè)計(jì)師的青睞[1]。在對(duì)中小橋梁平面進(jìn)行布置設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)服從于立交線形，根據(jù)立交橋匝道的布置采用曲線橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法針進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求將異形橋梁的設(shè)計(jì)手段應(yīng)用于城市立交橋中[2]。一般而言，曲線橋梁設(shè)計(jì)和施工中選擇使用就地澆筑的方法對(duì)箱形橋梁進(jìn)行施工，其中以直代曲施工是曲線橋梁設(shè)計(jì)施工中最常規(guī)的一種施工型設(shè)計(jì)方法。曲線的半徑越大，以直代曲的直線段也就越大，但是橋梁工程曲線線形不會(huì)受太大的影響。本文對(duì)有關(guān)曲線橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行分析和探討，為同類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供相關(guān)技術(shù)參考。

1 曲線橋梁的設(shè)計(jì)構(gòu)造

一般來(lái)說(shuō)，曲線橋梁的建造采用就地澆筑鋼筋混凝土的方式，或者是采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的方式。對(duì)于等截面連續(xù)曲線梁橋，其立面布置選擇以等跨徑的方式比較合適，也可以選擇不等跨布置的方式[3]。正常而言，橋梁采用的跨徑為20 m～60 m，高跨比約為1/15～1/25。對(duì)于變截面連續(xù)曲線箱梁橋，其立面布置設(shè)計(jì)中大多采用中跨跨徑不小于邊跨跨徑的布置方式，一般主跨徑的長(zhǎng)度為40 m～70 m，邊跨跨徑是主跨跨徑的0.6倍～0.8倍。曲線橋梁支點(diǎn)截面的梁高是中間跨跨徑的1/16～1/18，最小不能低于1/20，跨中截面梁高大約是支點(diǎn)截面梁高的1/1.5～1/2.5。曲線橋梁的主梁采用箱形截面的方式，比較常見(jiàn)的箱形截面類(lèi)型包括單箱單室、單箱雙室、單箱多室、雙箱單室、雙箱雙室以及雙箱多室等，其中單箱單室截面的頂板寬度不大于14 m，單箱雙室一般是20 m，雙箱多室頂板寬度比較長(zhǎng)但是也不會(huì)超過(guò)40 m，腹板采用直腹板或者是斜腹板的方式。箱梁在支承處進(jìn)行暗梁的設(shè)置，橋梁的端部是端橫梁，寬度一般為0.8 m～1.0 m，中支承是中橫梁，寬度一般為1～1.8 m，寬度的選擇取決于支承形式及橫梁受力等因素。針對(duì)薄壁箱梁而言，增設(shè)橫隔板是減小截面畸變變形的最佳方案。箱梁頂板、底板以及腹板的具體尺寸選取在本文中不作詳細(xì)描述。

2 支承形式

如果曲線橋梁的橋?qū)挶容^寬，橋梁的支承形式在端橫梁或者中橫梁的下腹板位置需要均勻設(shè)置數(shù)個(gè)支座，這種方式稱(chēng)之為抗扭支承，全跨選擇的支承形式是一致的[4]。如果曲線橋梁的橋?qū)挶容^窄，比如說(shuō)匝道橋梁的橋梁下部結(jié)構(gòu)工程為了節(jié)省工程投資，一般會(huì)在橋梁的中支點(diǎn)位置進(jìn)行單個(gè)支座的設(shè)置，這種做法叫做點(diǎn)鉸支承，匝道橋梁一般會(huì)在端部或者是連續(xù)跨數(shù)比較多的某一中支點(diǎn)進(jìn)行抗扭支承的設(shè)置，其它中支點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)鉸支承的設(shè)置。點(diǎn)鉸支承沿著徑向向外移動(dòng)到一定的距離，對(duì)于連續(xù)曲線箱梁的扭矩可以起到非常明顯的增強(qiáng)作用。

在對(duì)曲線橋梁的構(gòu)造進(jìn)行布置設(shè)計(jì)后，能夠得到每一個(gè)支座反力數(shù)據(jù)，要求在任何情況下，每一個(gè)支座的反力不小于零，也就是支座始終處于受壓的狀態(tài)；在永久作用以及可變作用的雙重作用下，每一個(gè)支座反力也要求不小于零，也就是支座始終處于受壓狀態(tài)[5]。假如支反力不大于零，那么支座受到拉力，就有可能導(dǎo)致該支座上方的曲梁翹起，這種情況下一般會(huì)要求對(duì)橋梁跨度進(jìn)行重新設(shè)置，或者是在該支座的上方箱梁上采用混凝土或者鋼錠壓重，確保支反力始終不小于零，支座永遠(yuǎn)處于受壓狀態(tài)。得出的結(jié)論是永久作用或者是永久作用和可變作用的雙重作用下各個(gè)支反力不小于零，使得支座永遠(yuǎn)處于受壓狀態(tài)。按照計(jì)算的支反力對(duì)支座進(jìn)行選擇，支座施工時(shí)要求放置水平。

3 內(nèi)力計(jì)算

連續(xù)曲線箱梁橋的內(nèi)力涉及多個(gè)方面，包括彎矩、剪力、軸力以及扭矩等。在曲線橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到扭矩比較大，一般會(huì)使外側(cè)邊梁超載，內(nèi)側(cè)梁卸載設(shè)計(jì)，曲線橋梁的內(nèi)力分布不均勻，其中外梁的受力最大，而內(nèi)梁受力最小[4]。與此相同的是內(nèi)外梁的支點(diǎn)反力也有所區(qū)別，其中外側(cè)較大內(nèi)側(cè)較小，如果活載偏置時(shí)，內(nèi)梁有可能產(chǎn)生負(fù)向的反力，構(gòu)造方面要采取合理的措施防止出現(xiàn)負(fù)反力，這種情況在支承形式中已經(jīng)略作敘述[6]。

連續(xù)曲線箱梁橋內(nèi)力，也就是彎矩、剪力、軸力以及扭矩，對(duì)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算就是超靜定結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)應(yīng)用變形協(xié)調(diào)方程來(lái)對(duì)內(nèi)力進(jìn)行求解。假如結(jié)構(gòu)單跨跨寬比大于2則稱(chēng)之為窄橋，需要根據(jù)桿系結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算；假如結(jié)構(gòu)單跨跨寬比不大于2則稱(chēng)之為寬橋，需要根據(jù)其平面結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。利用分析和計(jì)算能夠得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖，如圖1所示是三跨連續(xù)曲線箱梁按桿系程序計(jì)算的單元?jiǎng)澐制矫鎴D，圖2～圖4分別是用桿系程序計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)彎矩、剪力以及扭矩內(nèi)力包絡(luò)圖。

圖1 位于圓緩曲線上的三跨連續(xù)箱梁桿系單元?jiǎng)澐制矫鎴D

圖2 彎矩包絡(luò)圖

圖3 剪力包絡(luò)圖

圖4 扭矩包絡(luò)圖

4 計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用

對(duì)曲線橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程中不可避免應(yīng)用到相關(guān)計(jì)算軟件，假如缺乏軟件進(jìn)行分析模擬就進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，哪怕是曲線橋梁計(jì)算已經(jīng)進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，但是相對(duì)于工作人員的工作量來(lái)說(shuō)，依然是比較復(fù)雜的。如果在計(jì)算軟件上比較缺乏有力支撐，哪怕是最佳的計(jì)算方法在具體工程實(shí)踐方面也無(wú)法取得真實(shí)有效的應(yīng)用，而且最主要的是工作人員需要進(jìn)行相當(dāng)復(fù)雜而又繁瑣的工程設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。現(xiàn)階段，比如說(shuō)ANSYS、SAP等空間程序以及專(zhuān)業(yè)橋梁有限元分析軟件Midas Civil和橋梁博士等彈性薄壁桿桿系程序都是一些大量應(yīng)用于曲線橋梁設(shè)計(jì)的計(jì)算程序軟件。針對(duì)曲線橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)，空間程序的應(yīng)用不太常見(jiàn)，這是因?yàn)锳NSYS和SAP在具體的應(yīng)用方面也存在一些困難，一般來(lái)說(shuō)這些程序在深入開(kāi)展研究的時(shí)候應(yīng)用的頻次比較高。在曲線橋梁計(jì)算機(jī)軟件方面的有限元程序，包括應(yīng)用在寬橋的平面格構(gòu)模型程序和應(yīng)用在窄橋中的曲桿程序等，首先要對(duì)其進(jìn)行劃分，分成支承形式、有限單元以及有限元節(jié)點(diǎn)，之后在計(jì)算程序中輸入結(jié)構(gòu)模型，緊接著把結(jié)構(gòu)重力密度和截面形式輸入到程序中，最后是輸入可變作用荷載相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算可以得到一系列數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)力扭矩、剪力以及彎矩等的支座反力以及包絡(luò)圖，以此把內(nèi)力包絡(luò)圖當(dāng)時(shí)是按照針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中的截面尺寸等相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，對(duì)曲線橋梁進(jìn)行計(jì)算分析，目前大多數(shù)是利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，把橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、反力等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的計(jì)算出來(lái)，同時(shí)把計(jì)算得出的反力作為依據(jù)，然后對(duì)支座的形式和類(lèi)型進(jìn)行選擇。一般而言，要求反力不小于零，換言之要選擇處于受壓狀態(tài)下的支座，最后將計(jì)算所得內(nèi)力當(dāng)做根據(jù)，利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)曲線橋梁中的抗扭、抗剪以及抗彎配筋等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而由得出的數(shù)據(jù)對(duì)曲線橋梁中的結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行配置。

[1]楊飛,萬(wàn)鵬愷.曲線橋梁設(shè)計(jì)的方法[J].江西建材,2011(3):169-171.

[2]劉柏青,張士鐸.十九、曲線橋梁(上)[J].中南公路工程,1989(1):47-56.

[3]劉柏青,張士鐸.二十、曲線橋梁(下)[J].中南公路工程,1989(2):38-43+59.

[4]姬東方.公路曲線橋梁折線布設(shè)研究[J].西部探礦工程,2003(11):128-130.

[5]高曉安,周錫元.曲線橋梁在多向地震作用下的動(dòng)力分析方法[J].特種結(jié)構(gòu),2005(1):56-59+88.

[6]孫旭霞.曲線梁橋的支座計(jì)算分析[J].山西建筑,2008(17):330-331.