桥梁设计当中对曲线梁的立交匝道桥的优化设计

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摘要：本文结合作者多年的工作经验结合工程案例对小半径曲线桥梁进行了深入的分析，仅供参考。

关键词：桥梁设计；曲线梁； 优化设计

中图分类号：U448.17 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）01-0095-2

1.设计要点

（1）小半径曲线梁桥的构造形式与直线梁桥有不少相似之处，但由于它是曲线梁桥，其结构受力的特点不同，在构造处理上也相应有其较多特点。（2）由于曲线梁桥比直线梁桥的受力复杂，对结构的抗弯、抗扭性能要求高于同跨径的直线梁桥，故采用整体性好、抗扭刚度大就地浇注的连续箱形梁桥比较好。（3）弯桥异以直线桥梁受力的主要因素为：圆心角（反映主梁的弯曲程度）、桥梁宽度与曲率半径之比、弯扭刚度比、扇形惯性矩　EIω。设计时对于以上因素综合分析，以确保计算的精度。（4）与一般的直线桥相比，曲线箱梁桥顶板、底板和腹板中的纵向受力钢筋、横向钢筋、箍筋、水平分布钢筋都要考虑到全桥计算和构造上的需要，并适当加强。（5）在预应力混凝土曲线梁桥中设置防崩钢筋。（6）在支承形式上，小半径曲线梁桥通常三种布置形式：a.全部采用抗扭支承。b.两端设置抗扭支承，中间设单支点铰支承。c.两端设置抗扭支承，中间既有单支点铰支承，又有抗扭支承的混合式支承，下部墩柱当与之相匹配。

2.工程案例分析

某匝道桥设计荷载为公路—Ⅰ级；温度荷载为结构体系温差±25　K，桥面10cm沥青铺装，温度梯度见JTG　D60—2004《公路桥涵设计通用规范》；　桥面净宽为8m；设计车速40km/h。桥梁上部结构为三跨一联普通钢筋混凝土连续曲线箱梁，位于圆曲线上，曲线半径为54　m。跨径组合为3m×25m。主梁为单箱单室，斜腹板，梁高1．8m。箱梁顶板宽8m、底板宽4　m、箱梁翼板悬臂1．6m。腹板由跨中的40cm变化到顶部的60cm，顶板厚25cm、底板厚22cm。支点处设横隔梁，中横隔梁宽2．0m、端横隔梁宽1．2　m。箱梁横截面见图1。

3.有限元实体初步设计

初步拟定全桥采用抗扭支座。支座形式布置如下：　曲线内侧左侧中支座采用固定支座；　曲线外侧左侧中支座采用横向位移单向支座；其余支座曲线内侧采用单向活动支座，外侧采用双向活动支座。支座横向间距2．2m。图2为抗扭支座曲线梁三维模型。

由恒载（含收缩徐变）、汽车活载（最小）、温度梯度（最小）、整体温差（最小）和支座沉降（最小）所引起的各部位反力和弯矩见表1。表1同时列出了内力组合下各部位的反力和弯矩（组合系数为1.0）。

由表1结果可以看出：（1）内力组合下，曲线内侧边支点反力呈负值，说明支点脱空；（2）整体温差的升降对支座水平力影响最大，达到35．0　kN。选用GPZ（II）2．5DX支座，其水平抗力为250kN，支座的选用满足要求；（3）外侧腹板中支点弯矩为内侧腹板处的1．18倍，这个数值与采用单梁计算的1．14倍的放大系数差别不大。由初步设计的结果可以看出，曲线梁的弯扭组合作用明显。曲线梁所受外力均与曲线梁桥上相邻两支点的连线不在同一平面内、所有外力将绕该连线发生扭转而产生附加扭矩有关。在相同跨径条件下，随着曲线梁半径的减小，该附加扭矩作用更大。这一附加扭矩对外边梁有加载作用，对内边梁有卸载作用。外边梁跨中位移较内边梁大，在梁端出现以外侧支点为中心的翘曲，随着扭转位移的增大，梁端内侧支座脱空。

4.方案优化设计

4.1具体设计措施

为减小附加扭矩作用、避免支座脱空，通常采用以下措施：　将中间独柱墩的支座向外侧设置一定的预偏心，其原理是减小外力到相邻两支点的连线距离，从而减小附加扭矩；　设置抗扭墩，减小“抗扭跨径”，将中墩设置成墩梁固结以及增加抗扭墩支座间距；　将梁体的附属结构设置在内弧侧；　桥台上内弧侧的支座设计为拉压支座等。由于外边梁长度较大，故在温度荷载及混凝土收缩徐变作用下，外边梁的纵向变形较内边梁大；　在受到横隔梁及外部横向限位措施的约束作用下，最终这些变形将向横向位移转变。如果结构没有足够强的横向约束措施，再加上桥面行车的离心力作用，梁体将发生横向爬移。设计时应充分估计横向爬移的作用。若向内侧滑移，会受到梁端伸缩缝位置处其他梁体结构的限制；　如果向外侧滑移，则限制因素很少，并且水平力还存在二次力效应，通过一段时间的积累，可能会使曲线梁桥在横桥向产生较大的位移，最终导致结构的破坏。所以在中墩设置径向约束，必要时可在墩顶设置限位挡块或采用墩梁固结的措施来限制曲线梁桥的梁体径向位移。经过试算最终采用预偏心和墩梁固结等措施，预偏心值为0．55。

4.2优化设计的有限元实体计算

采用第2节同样的内力组合，对采取设置预偏心和墩梁固结优化措施后的曲线梁进行有限元实体计算。各部位反力和弯矩计算结果见表　2。

由表2可以看出1）内力组合下，各部位的支点反力均为正值，说明支座未脱空。内力组合下，水平抗力为106．6kN，选用的支座能满足要求；（2）墩梁固结结构，能显著减小支点负弯矩；同时，受到约束，温度力的作用反力有所增加，其中温度梯度作用的变化最为显著；（3）预设墩偏心，能显著减小自重扭转作用，提高了自重对边支座的压重作用。

4.3优化设计的空间梁单元计算

以同样内力组合计算的三维空间梁单元结果与实体计算进行对比，整体温差采用整体升温　25　K　计算。对比结果可知：（1）三维梁单元的计算未考虑实际重心位置外偏导致的扭矩，支点反力偏差较小；三维实体方法计算，则能充分考虑这一因素，计算结果较为合理。（2）通过对比，三维实体计算结果与三维梁单元计算结果相近，计算结果可靠。

5.结语

（1）曲线梁设计的关键是避免支座脱空，最有效的方式是设置预偏心。对曲线半径较大、扭矩效应不大的曲线梁，抗扭支座或墩梁固结是解决支座脱空的有效措施。（2）横向偏移大多数是由温度力引起的，且是不可逆转的，为避免支点处的横向水平力超过支座能够提供的水平抗力，须设置足够的径向约束措施，防止横向爬移.（3）根据采用预偏心和墩梁固结措施后的对比计算发现，由于约束过多，温度力会相应增大，因此如设计采取墩梁固结形式时应慎重。（4）三维实体计算更具有可靠性。空间单梁计算可以简化曲线梁计算，但应考虑竖向弯矩的增大系数及截面实际重心位置外偏导致的扭矩。