小半徑連續彎橋設計

王令

【摘 要】彎梁箱梁自身受力特征為彎扭耦合，復雜受力特性增大了設計和施工的難度。文章以蘭州至海口高速公路廣西欽州至北海段改擴建工程中一座匝道橋的一聯（4×25 m，R=230 m）為實例，總結該橋梁的設計要點，并闡述小半徑連續彎橋設計中的注意事項，以期為同類型橋梁設計提供參考。

【關鍵詞】小半徑連續彎橋;彎剪扭;張拉順序

【中圖分類號】U448.42 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0064-02

我國基建進入高速發展階段，市政橋梁、鐵路橋梁和高速互通橋梁的應用越來越廣泛。國家發展戰略提出實施城鎮化進程。城鎮化進程必然帶動城市人口的聚集與增加，城市交通量日益增大，用地空間狹小。現階段，城市以中心向四周環形網狀不斷發展。橋梁是城市道路中的一個地域性的地標，能提升城市的形象，帶動各行各業的發展。彎梁橋的形狀可隨曲線變化而變化，受占地影響小，因此彎橋梁具有獨特的作用和魅力。小半徑連續彎橋為整個橋梁系統的重要組成部分，特別是在大跨徑彎橋中發揮了明顯的優勢作用。但該類橋梁因彎扭耦合作用改變橋梁受力的特點，使其存在薄弱點，例如傾覆、支座脫空和爬移等問題。結合目前橋梁的修建要求，不僅對橋梁結構強度要求嚴格，而且需兼顧橋梁的美觀性。因此，本文以實際工程為例，對小半徑連續彎橋的抗扭穩定性、預應力和溫度效應等方面進行介紹，特別是對該類橋梁設計中的注意事項和相應問題的解決辦法進行了詳細闡述。

1 橋梁簡介

蘭州至海口高速公路廣西欽州至北海段項目的一座匝道橋中一聯4×25 m現澆預應力混凝土箱梁，橋寬14.75 m，單箱三室，梁高1.6 m，路線曲線半徑R=230 m。本聯所有橋墩均采用雙支座。運用有限元軟件2019 midas/civil建立有限元分析模型分析，并結合相關規范選用計算方法（如圖1所示）。

2 梁彎橋的力學特性

彎梁橋與直橋最大的區別是彎梁橋存在彎扭耦合效應。實際工程中的彎在梁梁體是曲線形，受力作用下，梁截面產生彎曲和扭轉兩種變形并疊加起來相互影響，導致內外腹板梁體應力不均勻。若小半徑橋梁寬越寬，則曲線外側腹板比曲線內側腹板越長，在彎扭耦合作用下，常常出現內側支座脫空、張拉鋼束后外側腹板承載不足、內側壓應力超標等現象。因此，小半徑連續彎橋與直橋設計最大的不同的就是要考慮彎扭耦合作用，即如何平衡內外側梁體受力不均勻是設計時要綜合考慮的重點。

3 設計要點

3.1 支座的設計

彎梁橋設計中要考慮對立與統一的關系，即要求設置約束防止滑移和側傾，但設置過多約束不利于橋梁的伸縮[1]。前文提到彎橋存在彎扭耦合作用，導致內外梁體受力不均，因此支座的反力也是內外不均勻的。這時，截面的重心與形心不在一處，就會出現一對力偶作用、內側支座支反力可能出現負數，造成支座脫空現象。因此，設置支座的合理位置尤為重要。最簡便的方式是設置支座偏心，可以有效地改變橋梁抗傾覆軸線的位置，增大橋梁傾覆穩定系數，使各支座受力均勻且可防止支座脫空現象。本項目經過調整支座往外偏移20 cm，即在9.6 m寬的底板中設計2個支座，內側支座布置距腹板邊線1.2 m，而外側支座布置距腹板邊線1 m。計算結果見表1和表2。

從上述兩個豎向支反力表中可以得出：支座不設置偏心時，內外側支反力相差較大，但是滿足規范要求。當設置支座偏心20 cm時，內外側豎向支反力大小比較均勻，抗傾覆穩定達到最佳狀態。

3.2 預應力布置

在設計彎橋時，鋼束布置對整橋的受力相對直線橋要敏感得多，因此是設計的重點和難點。首先彎橋的受力有自身的特點，彎梁本身左右側重量不一致，加上偏心荷載的作用，導致曲線內外側腹板應力不均勻。

在布置鋼束時，彎橋鋼束的摩阻損失相對直橋大，應盡可能地減少鋼束的張拉長度。如果鋼束設置不當，則在鋼束曲線張拉后易引起爬移、支座脫空等現象，這是在設計中需要注意和提防的問題。

小半徑連續彎橋設計中應合理布置預應力，并注意張拉特點。針對以上問題，可以采取如下措施：調整施工順序。該梁橋的施工順序是先外側后內側，即先對張拉曲線外側腹板鋼束進行施工，再對內側腹板鋼束進行施工[2]。？譺？訛控制張拉長度。彎橋采用逐孔張拉的施工方法進行施工，每孔設置一道施工縫，可有效減少鋼束的張拉長度，并保證鋼束的有效應力[3]。控制應力。在縱向鋼束張拉控制應力不同的狀況下，腹板內應力也會發生改變[4]。在設置支座適當偏心的情況下，分別設置內外側縱向鋼束控制應力均為75%與內外側鋼束控制應力不一致的情況，得出以下結論：一是內外側鋼束控制應力一致時，本聯箱梁腹板應力滿足設計規范，但是最外側左右腹板應力相差較大，特別時截面小鋼束多時，外側左右腹板應力相差很明顯。二是當曲線外側鋼束控制應力在75%，內側鋼束應力控制在65%時或內側鋼束減少鋼束用量時，內外側腹板應力接近，改善了整個截面的應力狀態。本項目考慮到施工便捷和工期，經綜合考慮后采取內外側鋼束控制應力為75%，驗算腹板斜截面各點應力包絡圖如圖2所示。

按照《橋規》第6.3.1-8條中的公式σtp≤0.5ftk驗算：σtp=0.737 MPa（拉應力）≤0.5ftk=1.325 MPa（拉應力），該工程梁腹板截面應力滿足規范要求。

根據工程自身特點，小跨徑彎橋為了施工簡便和縮短工期，也可采取內外側鋼束控制應力一致。

3.3 橋寬的設計

在設計彎梁橋時梁體寬度是影響橋梁受力的主要因素。橋面越寬，汽車在偏載作用下，梁體所受到的彎扭越大。工程中橋面寬由道路設計決定，因此在工程實際設計中可考慮將寬箱梁分成幾個小箱梁先現澆，然后再把翼緣板連接起來形成整橋。

3.4 橋墩的設計

通常，獨住墩抗傾覆差，導致整橋側翻事故頻發，因此設計后期基本采用雙柱或多柱形式，以增強抗傾覆力，但是會影響視覺效果[5]。小半徑曲線橋伴橫坡超高及縱坡較大，因此為防止梁體滑移，可采取一聯中一個墩中一根柱子與梁體固結。墩高直接影響柱子及樁基截面的大小，合理的截面設計使得橋梁的受力更均勻及尺寸比例協調有美感。橋墩沉降量直接影響梁體內力重的分配，通常設計中控制在1 cm范圍。

3.5 溫度效應

溫度疊加的積累效應。如何釋放溫度避免溫度疊加產生的積累效應？設計中，箱梁應該留有排氣孔，箱梁內外溫度可以及時傳遞，這樣內外溫差不大;選用橋鋪裝時可選用瀝青鋪裝;后期養護時，需經常檢查梁體是否能自由伸縮而不被抵死。

4 小結

小半徑曲線彎梁橋的整體性比裝配式箱梁好且美觀，能適應曲線條變化，比同等跨徑直線橋受力復雜且橋梁驗算項目較多，特別是在彎剪扭同時伴隨出現時。本文總結如下設計要點。小半徑彎橋配束時，預應力徑向力較大，因此必須防止腹板崩裂;箱梁翹曲設計工期短、時間緊、任務重，建議在選取截面尺寸時，可以適當加高梁高，適當減少縱向預應力束配置，便于施工。曲線外側鋼束可以比曲線內側鋼束用量多。鋼束張拉順序為先張拉曲線外側鋼束，再張拉曲線內側鋼束。適當使支座偏心設置，可以增大梁體抗傾覆穩定系數。當路線曲線半徑小于60 m時，建議采用現澆普通鋼筋混凝土箱梁，跨徑控制在20 m以內。

參 考 文 獻

[1]唐宗富，聶玉江，楊昀.超小半徑彎連續剛構橋設計及預應力張拉順序研究[J].黑龍江交通科技，2014（8）：119-123.

[2]陳常明，衛紅蕊，等.淺析小半徑連續彎橋設計[J].橋隧工程，2013（2）：102-104.

[3]李軍歌，侯中學.淺談小半徑曲線連續彎箱梁橋的設計[J].江西建材，2014（8）：201-202.

[4]胡豐玲.小半徑連續彎橋設計探討[J].工程與建設，2012（3）：366-411.

[5]劉二銘.既有獨柱墩連續彎橋抗傾覆穩定及其改善措施研究[D].重慶：重慶交通大學，2016.