山區(qū)曲線橋梁設(shè)計問題分析

楊方偉

（中榕規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，人員流動性大大增加，促進了交通行業(yè)的快速發(fā)展，山區(qū)曲線橋梁也得到了廣泛的應用。正是因為曲線橋梁平面曲率的存在，因此設(shè)計階段的受力分析更為復雜。相比直線梁橋，曲線橋梁在設(shè)計過程中僅考慮剪力和彎矩的影響，忽略了其他不利因素，無法滿足曲線橋梁自身特性的受力需求，造成當前曲線橋梁的設(shè)計無法滿足曲線橋梁的承載需求[1-5]。針對這一情況，首先，從主梁內(nèi)外側(cè)受力、撓曲變形、橫向水平力和支反力方面，分析了曲線橋梁的力學特性；其次，從經(jīng)濟性、耐久性和安全性方面，介紹了山區(qū)曲線橋梁的設(shè)計原則，依托于某山區(qū)曲線橋梁項目，詳細分析了預制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案；最后，從結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟性和耐久性方面，進行了綜合對比分析，結(jié)果顯示現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案具有較為明顯的優(yōu)勢。

1 曲線橋梁的力學特性

由于曲線橋梁存在一定的曲率，在橋梁自重荷載和交通荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)不僅產(chǎn)生豎向變形，還會產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，即彎扭耦合作用。在彎扭耦合作用下，曲線橋梁的結(jié)構(gòu)受力存在如下特點。

1.1 主梁內(nèi)外側(cè)受力

在彎扭耦合作用下，會在一定程度上導致橋梁外側(cè)受力增大，內(nèi)側(cè)受力減小的問題，從而導致橋梁外側(cè)彎曲應力增加。主梁內(nèi)側(cè)與外側(cè)在不同荷載作用下，主梁內(nèi)側(cè)腹板與外側(cè)腹板出現(xiàn)應力不均的情況，甚至會對主梁內(nèi)側(cè)支點造成較大的影響，導致橋梁結(jié)構(gòu)與支座出現(xiàn)脫離的情況。

1.2 主梁撓曲變形

與直線梁橋一致，曲線橋梁受彎之后會發(fā)生一定的撓曲變形。與直線梁橋不同的是，曲線橋梁受到扭矩和彎矩共同作用，二者屬于彎扭耦合作用，主梁截面的主拉應力遠大于直線梁橋的主拉應力。主梁內(nèi)外側(cè)會出現(xiàn)一定的撓度差，在曲線橋梁上，表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)撓度遠遠小于外側(cè)撓度，且撓度差與橋面寬度呈一定的比例關(guān)系。

1.3 橫向水平力

在橋梁結(jié)構(gòu)自重和交通荷載作用下，導致曲線橋梁在水平方向上，產(chǎn)生一定的離心力。同時考慮到混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變情況，導致曲線橋梁產(chǎn)生較大程度的縱向水平力，主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的橫向水平力，主梁截面出現(xiàn)扭矩，橋墩承擔一定的彎矩情況。

1.4 支反力差異

根據(jù)曲線橋梁的受力特點分析，主梁外側(cè)曲線的弧長遠遠大于內(nèi)側(cè)曲線的弧長，造成主梁外側(cè)支座的壓力遠遠大于內(nèi)側(cè)支座的壓力。當曲率半徑較小時，內(nèi)側(cè)支座反力遠遠小于外側(cè)支座反力，甚至出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座與橋梁分離的情況。因此在設(shè)計時，應對于內(nèi)側(cè)支座的受力情況進行最不利工況分析。

2 山區(qū)曲線橋梁設(shè)計原則

2.1 經(jīng)濟性合理

由于山區(qū)地形地貌較為復雜，在設(shè)計過程中，遵循就地取材的原則，同時充分考慮地形、地質(zhì)條件等因素，涉及材料選取、施工方式選擇和材料運輸?shù)葐栴}。

2.2 耐久性良好

根據(jù)橋梁設(shè)計規(guī)范，當前橋梁設(shè)計年限一般在100 年左右。因此，在山區(qū)曲線橋梁設(shè)計過程中，需要在保證橋梁承載能力的前提下，采取有效措施，確保橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。例如，增加鋼筋、選擇耐久性混凝土、加大保護層厚度等設(shè)計措施，盡量提高和確保山區(qū)曲線橋梁設(shè)計的耐久性。

2.3 安全性可靠

由于山區(qū)的地形較為復雜，因此在山區(qū)曲線橋梁設(shè)計過程中，應充分考慮地形坡度、溶洞、泥石流和滑坡等地形地貌，同時降水量和氣溫變化也會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。同時，應充分考慮影響結(jié)構(gòu)承載的所有因素，在確保承載能力的前提下，采取各種措施，避免橋梁結(jié)構(gòu)在外界影響下發(fā)生破壞事故。

3 方案比選分析

3.1 工程概況

某穿越山區(qū)的橋梁，平曲線半徑R=75.0m，橋梁寬度W=9.0m，最大縱坡為4.0%，橋面橫坡為4.0%，橋墩最大高度為39.0m。對于高墩和小半徑橋梁，多采用現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。由于橋墩較高，采用支架工程的風險較大，施工困難較大。

3.2 設(shè)計方案分析

針對上述情況，在設(shè)計階段，需要對預制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案，從施工、結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟性和耐久性方面進行綜合分析，確定最優(yōu)的橋梁設(shè)計方案。

3.2.1 預制梁方案

關(guān)于預制梁方案，采用工廠預制，運輸至現(xiàn)場后，采用吊裝施工。由于不需要搭設(shè)支架，具有施工速度快、費用低和施工風險小的特點，因此在高墩橋梁施工中得到了較為廣泛的推廣應用。

雖然，高墩橋梁采用預制梁方案具有較多的優(yōu)點，但是多應用于平曲線半徑不小于200.0m 的曲線橋梁。對于平曲線半徑僅為75.0m 的曲線橋梁，如果采用預制梁方案則會存在諸多問題，具體如下：

（1）平曲線半徑為75.0m，主梁內(nèi)外側(cè)梁長差別較大，高達2.3m，主梁跨中撓度不同，極易造成橋面不平順，甚至出現(xiàn)主梁開裂的病害。由于各梁在梁端端頭處的角度差別大，也會在較大程度上造成梁體預制及隔板濕接縫施工困難。

（2）由于平曲線半徑較小，主梁內(nèi)外側(cè)弦弧差別較大，高達75.5cm，導致預應力鋼束對于主梁結(jié)構(gòu)的橫向偏心較大，結(jié)構(gòu)上緣的拉應力過大。

（3）采用架橋機架設(shè)。由于曲線半徑過小，導致架橋機喂梁、過孔施工較為困難。

（4）由于平曲線較小，導致護欄呈折線形，行車視覺誘導性較差，極易造成安全事故。預制梁方案示意圖如圖1 所示。

圖1 預制梁方案示意圖

3.2.2 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案

根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計指導原則，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁適用于平曲線半徑小于200.0m 的橋梁結(jié)構(gòu)。對于高墩小半徑的曲線橋梁，由于支架施工風險較高，采用鋼管樁支架可以大大減小施工風險。以下針對現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案進行分析。

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案可以適當增加橋梁跨徑，橋梁整體的外觀較為優(yōu)美。該橋梁橋墩高度H=39.0m，上部結(jié)構(gòu)可采用3×25m 橋跨組合，其中每一孔可采用3組鋼管樁支架進行支架現(xiàn)澆施工。其中，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁截面如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案截面示意圖

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的小半徑結(jié)構(gòu)也具有自身結(jié)構(gòu)的劣勢，如預應力鋼束引起的徑向力會造成主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的支座反力較大，甚至造成內(nèi)側(cè)支座脫空；箱梁過大的扭矩造成結(jié)構(gòu)裂縫，甚至影響主梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

3.2.3 鋼-混組合梁方案

鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，是開口鋼箱梁和混凝土橋面板通過剪力鍵進行連接的組合結(jié)構(gòu)。因為組合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼材抗拉和混凝土抗壓的特點，具有自重輕、跨越能力強、抗扭剛度大和高度低等優(yōu)點，同時施工周期較短，因此得到了較為廣泛的應用。

對于鋼-混組合梁橋的施工工藝，目前多采用臨時支架法和頂推法施工工藝。作為鋼-混組合梁橋最為常見的施工工藝，臨時支架法往往在拼接處設(shè)置臨時支架，分段吊裝就位后，采用栓接連接形成整體。頂推法要求箱梁高度一致，平曲線和豎曲線為同一曲率，一般的曲線橋梁無法滿足頂推法施工的工藝要求，因此鋼-混組合梁橋的施工多采用少支架法。

該橋梁上部結(jié)構(gòu)采用3×35m 鋼-混組合梁橋，單箱雙室截面，鋼板梁采用Q345 鋼材，頂板采用C50 現(xiàn)澆混凝土板，下部結(jié)構(gòu)采用板式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。鋼-混組合梁斷面如圖3 所示。

圖3 鋼-混組合梁斷面示意圖

鋼-混組合梁橋的橋面板縱橋向采用A 類預應力設(shè)計。采用工廠加工制作鋼箱梁，然后運輸至現(xiàn)場；拼裝完成后，整體澆筑橋面板；張拉預應力后，拆除臨時支架；最后完成橋面附屬設(shè)施施工。

由于結(jié)構(gòu)受力和抵消混凝土橋面板收縮徐變的影響，需要在橋墩墩頂施加一定的預應力，在邊墩支座中產(chǎn)生一定的負反力，可以通過在邊墩支座上澆筑混凝土壓重解決。

3.3 方案比選

關(guān)于預制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案的合理性和適用性，以下從結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟性和耐久性方面綜合考慮。

3.3.1 結(jié)構(gòu)受力

從結(jié)構(gòu)受力方面考慮，3 種方案的結(jié)構(gòu)受力均能滿足承載要求，尤其是鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土的材料性能，適用性更強。

3.3.2 施工便捷性

從施工便捷性方面考慮，預制梁方案由于平曲線半徑較小，導致模板種類繁多，但采用架橋機架設(shè)，無須搭設(shè)支架，因此施工便捷性最好。現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案均需要搭設(shè)支架。相比現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案，鋼-混組合梁方案臨時支架較少，且直接承載要求不高，風險較小，施工更為便捷?，F(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案需要搭設(shè)滿堂支架或者采用鋼管樁方案，針對該橋梁，鋼管樁方案是最優(yōu)方案，支架風險性較高。

3.3.3 經(jīng)濟性

從經(jīng)濟性方面考慮，預制梁方案的經(jīng)濟性最好，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案的經(jīng)濟性稍差，鋼-混組合梁方案的經(jīng)濟性最差。

3.3.4 耐久性

從耐久性方面考慮，預制梁方案和現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案的耐久性較好，且全壽命周期的維護費用較低；鋼-混組合梁方案的耐久性略差，且鋼箱梁對于運營環(huán)境的濕度要求較高，養(yǎng)護費用略高。

從結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟性和耐久性方面綜合考慮，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案最優(yōu)，因此設(shè)計建議采用此方案。鋼-混組合梁方案雖然在經(jīng)濟性和耐久性方面不占優(yōu)勢，但是其在高地震烈度區(qū)具有較強的競爭力，得益于其質(zhì)量輕、地震力小，可以有效減小下部結(jié)構(gòu)的尺寸和配筋。

4 設(shè)計要點分析

對于山區(qū)曲線橋梁，除了結(jié)構(gòu)受力，山區(qū)曲線橋梁的基本尺寸和支座布置與直線梁橋也存在較大差異，以下進行詳細分析。

4.1 基本尺寸

4.1.1 頂?shù)装宄叽鐔栴}

曲線橋梁的頂板厚度應控制在18～30cm，在跨中位置的底板厚度應控制在15～25cm。在橋墩位置的頂、底板厚度應大于跨中位置，為后續(xù)布置預應力束提供空間。

4.1.2 腹板厚度

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的腹板厚度，不僅取決于腹板承擔剪力，還取決于預應力束的布置，厚度應控制在40～50cm。在支點附近的腹板應適當加厚，有利于滿足腹板預應力束平彎和錨固的要求。

4.1.3 翼緣板尺寸

對于曲線橋梁翼緣板的尺寸，應進行嚴格控制。寬度過大，會造成剪力滯現(xiàn)象較為明顯，在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)計算分析的難度；寬度過小，則會降低截面設(shè)計要求。因此設(shè)計時，應適當增加翼緣板的寬度，優(yōu)化主梁承擔的彎矩。

4.2 支座布置

對于山區(qū)曲線橋梁，支座布置與直線梁橋存在一定的區(qū)別，以下進行詳細分析。其一，可在中間跨設(shè)置鉸支座，在端頭位置設(shè)置具有一定剪切位移的抗扭支座。其二，除了在端部、中間位置設(shè)置抗扭支座，在其他位置可考慮設(shè)置鉸支座。其三，為了優(yōu)化曲線橋梁扭矩，中心位置鉸支座可做一定的偏心處理，有助于提高曲線橋梁的抗扭轉(zhuǎn)能力。

5 結(jié)語

隨著山區(qū)高速公路的快速發(fā)展，小半徑曲線橋梁得到了一定的推廣應用，但需要對其結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性、經(jīng)濟性和耐久性進行進一步研究。在分析山區(qū)曲線橋梁結(jié)構(gòu)受力特性的基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟性、耐久性和安全性方面提出了山區(qū)曲線橋梁的設(shè)計原則。基于某山區(qū)曲線橋梁項目，從預制梁方案、連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案進行了設(shè)計分析，對比分析了預制梁方案、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案和鋼-混組合梁方案，結(jié)果顯示現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案綜合優(yōu)勢較為明顯。