彎橋設計淺談

陳志亮

廣州市公路勘察設計有限公司

彎橋設計淺談

陳志亮

廣州市公路勘察設計有限公司

介紹了彎橋的受力特點,并分析了彎橋設計時應考慮和注意的一些問題。

彎橋;受力特點；結構設計;彎扭;耦合

1 概 述

近年來,隨著城市建設的快速發展,城市基礎設施也要求越來越完善，彎橋在現代化的公路及城市道路橋梁中的應用也越來越普遍。尤其在互通式立交的匝道橋設計中應用更為廣泛。由于受地形、地貌和占地面積及城市美化等因素的影響，使得高架結構和立交結構橋梁有彎、斜及異型的特點，橋梁平面線型設計受到一定的制約，而彎橋相比于直線橋對地形地貌的適應性較強，能很好地解決這個問題。彎橋為彎扭耦合作用下復雜的空間受力結構。其受力性能與橋梁的曲率半徑、跨徑、截面形式、寬跨比、抗彎剛度、抗扭剛度、支座的約束形式以及外荷載類型等有關。

2 彎橋的受力特點

2.1 梁體的彎扭耦合作用

彎橋能很好地克服地形、地物的限制,可以讓設計者較自由地發揮自己的想象,通過平順、流暢的線條給人以美的享受。但是彎橋的受力比較復雜。

彎橋工作的特點主要取決于曲率大小的影響。當垂直荷載作用于彎橋上時，彎橋將同時產生彎矩和扭矩，并且相互影響，造成彎橋力學分析的復雜性。與直線橋相比,彎橋的受力性能有如下特點: (1)梁體的彎扭耦合作用,即梁截面內產生彎矩的同時，必然地伴隨著產生耦合扭矩，同理，在產生扭矩的同時也伴隨著產生相應的耦合彎矩。梁截面處于彎扭共同作用的狀態，其截面主拉應力往往比相應的直梁橋大得多，這是彎主要的受力特點。(2)彎橋在外荷載的作用下，還會出現橫向彎矩。(3)由于彎扭耦合作用，彎橋的變形比同樣跨徑直線橋要大，外邊緣的撓度大于內邊緣的撓度，而且曲率半徑越小、橋越寬，這一趨勢越明顯。同時在梁端可能出現翹曲，當梁端橫橋向約束較弱時，梁體有向彎道外側“爬移”的趨勢。

在彎橋中,由于存在較大的扭矩,因而通常會出現“外梁超載,內梁卸載”的現象,這種現象在小半徑的寬橋中特別明顯。當活載偏置時，內側可能產生負反力，這時如果支座不能承受拉力，就會出現梁體與支座的脫離，即“支座脫空”現象。

2.2 下部橋梁墩臺的受力情況

由于內外側支座反力相差較大,使各墩柱所受垂直力出現較大差異。當扭矩很大時,如果設置了拉壓支座,有些墩柱甚至會出現拉力。

彎橋下部結構墩頂水平力,除了與直橋一樣有制動力、溫度力、地震力等以外,還因為彎曲率的存在,多了離心力和預應力張拉時產生的徑向力。

由于彎橋受力比較復雜，設計時應進行全面的空間受力計算分析。應對其在承受縱向彎曲、扭轉和翹曲變形作用下，結合自重、預應力、溫度力和活載等荷載進行詳細的受力分析，只有充分考慮了彎橋的受力特點，才能做到安全可靠的結構設計。

3 彎橋的結構設計

直線橋受“彎、剪”作用，而彎橋處于“彎、剪、扭”的復合受力狀態，故上、下部結構必須構成有利于抵抗“彎、剪、扭”的措施。

3.1 上部結構設計

目前曲線梁橋的受力計算一般借助于計算機來完成，分析方法較多，如：M/R法、一根曲線梁法、梁格分析法、有限元和有限條法等，而梁格法在設計單位得到較為廣泛應用。

3.1.1 M/R法

這種方法是彎橋計算的一種簡易分析方法，它是建立在純扭轉理論基礎上的。根據文獻資料提供的數據，M/R法的近似程度主要取決于中心角、彎曲、扭轉的剛度比及兩端的約束條件。在此方法中，受彎和扭轉應分別計算。用拉直曲線梁至其全部展開長度的相應直梁以確定彎矩、豎向剪力；扭轉采用共軛梁法。

3.1.2 一根曲線梁法

這種方法也是建立在純扭轉理論基礎上的，并且彎橋的上部結構也是用一根彈性桿件來代表的。只不過這種方法應用更為廣泛，例如，沿梁軸不僅可以作用有均布扭矩，還可以作用有集中扭矩；橫截面也可以不對稱；中心角的大小、彎曲與扭轉剛度比以及兩端的約束條件，都不影響計算結果精度。

3.1.3 梁格法

梁格法是目前最常用的分析彎橋的方法。它易于理解，便于使用，并且是比較精確的方法，因此在各種類型的橋梁分析中廣泛應用。此方法主要要點是：根據結構的形式和性能將上部結構離散為縱、橫交錯的網格，把分散在梁每一區格內的抗彎和抗扭剛度假定集中于最鄰近的等效的梁格內，即縱向剛度集中于縱向梁內、橫向剛度集中于橫向梁內，盡量使模型與實際受力狀態吻合。當結構原型和等效梁格承受形同的荷載時，它們的撓曲變形相等，并且在任一梁格內的彎矩、剪力和扭矩均等于它們所代表的那一部分上部結構的內力。但是由于結構原型和梁格模型有著不同的結構特性(例如梁格之間結構不連續，梁格的節點上應力集中)，因此這種假定只能是近似的。一般來說，梁格網越密，這種近似性就越好。現在運用梁格法計算理論編制而成的橋梁計算軟件越來越多，如同濟大學開發的“橋梁博士”和北京邁達斯技術有限公司開發的“midas Civil”等都有梁格法計算方法。

3.1.4 有限元法和有限條法

有限元法是計算彎橋最有效的分析方法，其精度取決于所采用的單元模型。這種方法常采用空間梁單元、板殼單元以及實體單元來模擬結構,能計算任意形狀的復雜結構。板殼單元以和實體單元可以充分計入翹曲、畸變、剪力滯等的影響，計算精度高，但其結果為應力狀態，用于設計配筋顯得相當麻煩。

有限條法是有限元法的特殊形式，它們的區別在于單元的位移函數不同。有線條法常用于解決規則結構和簡單邊界條件，它不能考慮內橫隔板的作用。

3.2 支承和下部分析

彎橋的不同支承方式，對其上、下部結構內力影響非常大。對于連續彎橋，中間支承一般分抗扭型支承(多支點或墩梁固結）和獨柱點鉸支承。對于較寬的橋(一般橋寬>12m)和曲線半徑較大(一般R>100m)的彎橋，主梁設計一般扭轉較小，故設抗扭支承比設點鉸支承比較合理；對于較窄的橋(一般橋寬<12m)和曲線半徑較小(一般R<100m)的彎橋，主梁設計扭轉較大，一般將中間墩布置成獨柱點鉸支承。橋體端部支承一般設置成多支點抗扭型支承。這種支承方式可有效地提高主梁的橫向抗扭性能，保證其橫向穩定性。

設置抗扭型支承需注意：當橋墩高度較矮時，也即墩柱相對剛度較大時，應選擇多支點支承；當橋墩高度較高時，中墩可采用墩柱與梁固結的結構支承形式。

彎橋橋墩受力除了與直橋一樣要承受自重、車輛荷載、溫度力、地震力等外,還要承受離心力、彎梁內預應力產生的徑向力等。這樣彎橋橋墩受力較直橋復雜，而且橋墩所受的外力方向常發生變化，計算需考慮雙向偏心,墩柱采用圓形截面比較合理。

4 彎橋設計應注意的幾個問題

4.1 彎橋的支座設置要合理，正確設置支座預偏心，使得上部梁體受力合理，減少配筋。

支承方式的不同影響到整個結構的受力狀態。在實際設計時,要分別采用不同的約束進行試算,然后決定結構的支承方式。

4.2 彎橋箱梁橋的橫隔板設置要比相應的直橋有所加強，應適當的設置內橫隔板，否則橫斷面畸變引起的畸變應力可能會超過受彎正應力。

4.3 橋寬較窄的彎橋宜加大箱體寬度減少懸臂長度，以增大主梁抗扭能力。

4.4 對于設預應力的彎橋，由于預應力鋼束產生的水平力很大，需設置一定的防崩鋼筋，否則容易引起腹板崩裂和鋼束崩出主梁。

5 結論

本文主要介紹了彎橋的受力特點和一些設計方法，彎橋由于其結構受力的復雜性，在進行設計和計算時應引起足夠的重視。

[1]吳西倫.彎梁橋設計.北京：人民交通出版社.1990

[2]姚玲森.混凝土彎橋設計.北京：人民交通出版社.1990

[3]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范.JTG D62-2004

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.016