基于曲線梁橋的設(shè)計研究與分析

張海峰

沈陽市于洪區(qū)公路管理處，遼寧沈陽 110024

隨著城市的不斷發(fā)展，城市交通問題在城市建設(shè)中越來越受到重視，為了緩解日益嚴(yán)重的交通擁堵問題，立交橋逐漸成為城市交通中必不可少的交通設(shè)施。立交橋通常受已有道路和周圍環(huán)境的制約以及滿足未來道路交通的需要，平面內(nèi)通常采用曲線形式。與直線橋梁相比，因為曲線梁橋彎扭處存在耦合作用，所以其在受力上更加復(fù)雜。最近幾年，頻繁出現(xiàn)的曲線梁橋整體側(cè)移甚至垮塌的事故，其主要原因就是橋梁支座布置不合理，當(dāng)然也有其他方面的一些原因。因為橋梁支座的布置實質(zhì)上決定了全橋的計算圖式，進而影響了全橋的內(nèi)力分布。

1 應(yīng)用梁格法進行曲線箱梁空間分析

曲線梁橋橋型的受力特點與傳統(tǒng)的直線梁橋存在著很大的不同，工程師們進行曲線梁橋的設(shè)計時，需要重點考慮的問題有很多，例如如何確定結(jié)構(gòu)合理的支撐體系、支座位置以及活載內(nèi)力、偏心調(diào)整、偏載對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響等。設(shè)計曲線梁橋常用的計算方法主要有以下幾種：梁格系分析法、變分原理解析法和數(shù)值分析有限元法。在實際設(shè)計過程中，梁格法憑借其易于操作和理解以及易于程序化的特點而得到了廣泛的應(yīng)用。它的基本設(shè)計思路是對橋梁上部結(jié)構(gòu)進行離散分解，并設(shè)計一個剛度接近等效的梁格體系來代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，完成對這種等效梁格的分析后，再將分析結(jié)果還原到原結(jié)構(gòu)中，進而取得需要的計算結(jié)果。

在工程實踐中，梁格法以其高效、簡便的特點在建筑空間分析方面得到了很多應(yīng)用。梁格法用等效的梁格來模擬建筑上部的梁結(jié)構(gòu)，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，通常按縱橫兩個方向進行配筋，并且混凝土具有較小的泊松比，依據(jù)梁格法計算出來的縱、橫兩個方向的彎矩完全可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的精度要求；此外當(dāng)梁格的網(wǎng)格設(shè)計的足夠密時，經(jīng)計算得出的翹曲效應(yīng)可以對實際情況進行等效的反映。梁格法在實踐中有很多應(yīng)用，例如：實體板結(jié)構(gòu)、空心板結(jié)構(gòu)、單多室箱梁結(jié)構(gòu)和異型板結(jié)構(gòu)等。

在梁格法設(shè)計中梁格網(wǎng)格的疏密程度，將對結(jié)構(gòu)模型的計算精度產(chǎn)生直接影響。從理論上講，網(wǎng)格設(shè)計的越密越能反映真實結(jié)構(gòu)，但是這樣做會給工程施工帶來很大的不便。因此在工程設(shè)計中不能一味的追求反映真實結(jié)構(gòu)，而是需要在工程實踐中要找到一個既能較好的反映結(jié)構(gòu)受力特性又能在施工中方便運用的梁格劃分原則。

梁格法以其簡便且準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點，非常適合工程技術(shù)人員來使用。但是它也存在著一些問題，比如未能將剪力滯、扭轉(zhuǎn)以及畸變產(chǎn)生的截面翹曲等考慮進去，所以在設(shè)計中就需要用三維程序來復(fù)核計算，來確保計算的準(zhǔn)確性。實際上梁格法與三維空間程序在荷載效應(yīng)計算上是存在著一些差異的，不過差值都在20%以內(nèi)。這種差異產(chǎn)生的主要原因就是，梁格法通過拆分把連續(xù)的箱型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為梁格體系，結(jié)構(gòu)的整體剛性減小，同時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配也相應(yīng)的發(fā)生了變化，此外其橫向聯(lián)系也被削弱。這就使得通過梁格法與通過三維實體有限元法分別計算出的結(jié)果有偏差。在實際的工程設(shè)計中，常用的做法是將梁格法計算出的結(jié)果乘以安全系數(shù)，以此來確保結(jié)構(gòu)安全。針對梁格法一方面無法體現(xiàn)剪力滯等效應(yīng)，另一方面無法進行結(jié)構(gòu)細部的應(yīng)力分析，這些不足都需要空間程序來進行彌補和補充。不過三維實體模型法需要的節(jié)點數(shù)較多，對其的后期處理也很煩瑣，而梁格法在模型建立階段進行的處理相對簡便易行，計算也比較簡單，得出的結(jié)果也相對可靠，相比之下更適合于工程應(yīng)用。

2 橋梁支座設(shè)計

橋梁支座是橋梁上下部的連結(jié)節(jié)點，是橋梁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在橋梁中，一方面恒載和活載這樣的豎直荷載將使橋梁發(fā)生的豎直方向變形，另一方面如風(fēng)力、震動力、離心力、以及溫度變化引發(fā)的混凝土收縮力等水平方向的各種荷載將使橋梁產(chǎn)生水平方向的變形。此外曲線橋彎扭處有扭矩存在，其對支座的產(chǎn)生多方向不均勻的力。當(dāng)橋梁的扭矩變大時，橋梁各支座的反力差值就會相應(yīng)變大，某些時候甚至?xí)a(chǎn)生反向的力。在進行立交橋的匝道橋設(shè)計時，由于受跨越道路型式的限制、對美觀的要求以及其他方面的要求，很可能需要設(shè)計一些單支座獨柱墩。同時聯(lián)端的支座間距大小對梁的支座反作用力也有著較大的影響，一旦處理不當(dāng)，可能會造成支座脫空，造成嚴(yán)重的工程事故。

3 橫梁設(shè)計

橫梁在曲線橋中，不僅起到連接主梁和加強結(jié)構(gòu)橫向剛度的作用，同時還是防止結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)確保全橋穩(wěn)定的重要構(gòu)件，合理的設(shè)置橫梁可以防止主梁截面發(fā)生形變，防止其在受力過程中被壓屈變形，利于結(jié)構(gòu)荷載的合理分布，同時更好的滿足施工和運輸?shù)男枰３鞘兄械牧⒔粯驈拿烙^角度出發(fā)，采用了大量的連續(xù)箱梁，在其下配有比較美觀纖細的橋墩。而為了橋梁的安全行，蓋梁通常采用暗梁，并在其下設(shè)置支座與橋墩連接。

4 曲線橋的抗震設(shè)計

曲線橋多被用于城市立交匝道或山區(qū)路段，它的一大特點就是一聯(lián)內(nèi)墩柱的高度相差很大，比如最高的橋墩高9m，而最低橋墩高度可能為5m。這樣的特點就決定了整座橋的抗震設(shè)計重點是在橋梁支座、墩柱和支座的聯(lián)合作用等方面的設(shè)計。曲線橋橋墩型式伸縮部分采用雙柱墩，雙支座墩應(yīng)用雙柱墩，單支座墩應(yīng)用獨柱墩，而支座部分則采用板式支座。在曲線橋中，其橋墩高度的不同和自身型式的差異決定了各墩柱剛度是不同的，在制動力、溫度力等多種水平力的綜合作用下，各墩柱的抗力相差是很大的。這就直接導(dǎo)致了在地震發(fā)生時，地震力將剛度較大的低矮橋墩直接剪壞，導(dǎo)致橋梁的垮塌，在近期發(fā)生的大地震中就發(fā)生了多例曲線橋因橋墩損毀而導(dǎo)致橋梁垮塌的實例。為了使橋墩剛度盡可能的均勻和對稱，在工程實例中我們在選取支座時，首先要使其滿足承載力和抗剪等方面的基本要求，在進行墩柱與支座的聯(lián)合剛度計算時，要充分考慮墩柱與支座的聯(lián)合作用，確保各橋墩的聯(lián)合剛度基本一致，并以此來確定支座型號。橋梁抗震措施的設(shè)計也要特別注重，例如高墩中設(shè)置聯(lián)系梁、設(shè)置合理的梁端搭接長度等。此外橋梁延性構(gòu)造細節(jié)設(shè)計也很重要。

在實際設(shè)計，由于曲線梁橋的受力比較復(fù)雜，要采用合理而快捷的方法進行計算，梁格法既滿足了結(jié)構(gòu)受力設(shè)計的要求，同時又具有簡便而易于應(yīng)用的優(yōu)勢。在合理劃分單元、設(shè)置縱橫梁的前提下，梁格法完全可以達到設(shè)計精度的要求。在曲線梁的設(shè)計中，因為橫梁的設(shè)計、支座位置和間距等的設(shè)計對整個結(jié)構(gòu)都有重大的影響，所以就需要設(shè)計人員根據(jù)實際情況進行細致的分析。另外，在曲線梁橋設(shè)計中還存在一些問題，如：剪力滯的影響、彎扭問題等，還需要在今后的工作中進一步研究。

5 結(jié)論

在建成的橋梁中，存在著很多梁端內(nèi)側(cè)支座“脫空”的現(xiàn)象，主要的原因是橋梁內(nèi)側(cè)支座的反力太小，甚至出現(xiàn)負值的情況。因此我們要保證橋梁內(nèi)側(cè)支座處于受壓狀態(tài)，且具有一定的壓力儲備。在應(yīng)用中比較有效的方法是控制橋梁邊跨跨徑，使中跨跨徑與邊跨跨徑比較接近。當(dāng)受客觀條件限制，邊跨跨徑與中跨跨徑相差較大時，應(yīng)該采取其他措施，比如合理調(diào)整中跨與邊跨的自重等方法來達到這一要求。

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