小半徑曲線梁橋的設計選型與結構分析

摘 要：隨著社會經濟的發展和人們對景觀的要求不斷提升，城市中大量涌現出具有景觀要求的橋梁。但在受到城市交通功能和地形條件的限制時，時常會出現小半徑的曲線橋梁。這種小半徑的曲線橋梁具有斜、彎、異形等特點，給橋梁設計和構造處理造成很大困難。文章結合中山小欖鎮某小區內車輛專用橋的設計，對小半徑曲線梁橋的設計選型及結構分析進行探討。

關鍵詞：Midas/Civil；小半徑曲線梁橋；設計選型；結構分析

1 工程概述

本工程位于中山市小欖鎮一新建小區內，供小區車輛進出車庫專用，沿線跨越三條河涌。由于前期建設方已委托進行景觀專業設計，按照景觀設計要求，進行橋梁結構設計。同時根據現場地形條件、施工技術擬定橋梁方案。橋梁全長219m，跨徑多處于20m左右，全橋4聯（21.088+18.521）+（17.994+17.225）+（環島：16.062+7.172+9.671+9.335+12.379）+（20.387+19.980）m。共橋梁全寬8.5m，其中環島處最小曲線半徑R=15.7m。橋梁上部結構采用現澆鋼筋混凝土，下部采用樁柱式橋墩、埋置式橋臺、鉆孔灌注樁基礎。全橋平面圖如下所示。

上部結構箱梁橫斷面采用單箱雙室，梁高140cm，箱梁頂寬830cm，兩端懸臂各設10cm后澆段同護欄一起澆筑，底寬730cm，翼緣板懸臂長度100cm。頂板等厚20cm。底板厚度為40cm～20cm，腹板厚度60～40cm，橫斷面如下圖所示：

2 計算參數

2.1 設計標準

設計荷載：城-B級；

溫度荷載：結構體系溫差±25度，梯度溫度按照規范瀝青鋪裝指標加載。

橋面凈寬：7.5m。

設計車速：40km/h

2.2 主要材料及計算參數

3 結構選型與計算分析

運用Midas/Civil軟件，對結構各聯均建立模型進行分析，尤其是第3聯環島，最小半徑僅有17.5m，常規做法很難滿足抗扭承載力要求，必須通過計算通過一系列構造措施進行調整。

3.1 結構選型

為了保證橋梁抗彎及抗扭承載能力滿足（規范）要求，對全橋建立三維模型計算，根據計算結果進行一系列的構造調整：

3.1.1 在原設計單箱單室的基礎上，將橫斷面調整為單箱雙室，同時將梁高從1.2m提高到1.4m，以提高上部結構的抗扭能力。

3.1.2 同時將沿河兩岸所設連個獨柱墩進行橫向偏心調整，并且將其設置為墩梁固結結構，同時對墩柱進行抗彎承載能力驗算。

3.1.3 原設計本聯僅為圓弧段，結果計算發現兩端支座反力相差太大，甚至出現負反力，同時結構整體也很難滿足抗扭需要。因此，對全橋重新進行分聯設計，在原圓弧段兩端分別加一跨直線段，同時將橋梁連接車庫部分也和上部連接為一個整體，以提供更有利的抗扭能力。

3.2 計算分析

通過采用一系列構造措施，包括改變跨徑、分聯、墩位、箱梁橫斷面等方法，以提高結構整體穩定性。經過有限元分析，結構整體抗彎、抗扭及抗剪承載能力（圖3.2～3.4所示）均能滿足規范要求。

通過對結構構造進行調整，同時在設計過程中，對縱向受力鋼筋、橫向分布鋼筋、縱向抗裂鋼筋均有適當加強。并對其進行有限元分析，可以看出結構整體承載能力均能滿足要求，所以從構造上采取措施以提高結構的整體穩定性的方法是有效的和最直接的。

4 設計體會

對于這種小半徑的曲線梁橋，其結構除了要承受縱向彎矩、剪力外，還有相當大的扭矩和翹曲雙力矩的作用。通過對本項目進行總結，對于小半徑曲線梁橋的設計及其受力特點進行分析，得出以下體會：

4.1 小半徑曲線梁橋的受力特點

4.1.1 小半徑曲線橋在自重、汽車荷載、溫度等荷載的作用下，同時產生彎矩和扭矩，并且互相影響，使上部主梁橫截面處于彎+扭共同作用的狀態，其主拉應力往往比相同跨徑的直梁橋大得多。

4.1.2 由于彎扭共同作用、相互影響，小半徑曲線橋的變形要比同跨徑直線橋大，同時其變形明顯的特點是其弧線外邊緣的撓度要大于弧線內邊緣的撓度，而且曲率半徑越小、橋越寬，這種差異趨勢越明顯。

4.1.3 由于結構自身偏心，同時再加上汽車偏載的作用，使得曲線橋的支點反力與直線橋相比，有弧線外側支點明顯大于內側支點的趨勢。內側支點甚至可能出現負反力，導致梁體與支座脫空。

4.1.4 考慮到混凝土的收縮、徐變，結構非線性溫差的影響等因素。以常規的分析手段比較難以實現混凝土收縮、徐變；以及預應力效應等對小半徑曲線梁橋作用的精確計算。因此對于小半徑的曲線梁橋，結構選型方面應優選選擇普通鋼筋混凝土結構，避免縱向預應力所產生徑向力的不利影響，同時橋梁跨徑不宜選擇過大。

4.2 小半徑曲線梁橋設計體會

4.2.1 由于小半徑曲線梁橋的受力特性比直線梁橋復雜得多，結構的抗彎承載能力、抗扭承載能力要求也比同跨徑的直線梁橋要求更高。因此在設計中應該優先選用整體性好、抗扭剛度大、現場澆筑的連續箱梁，同時在跨中設置橫隔板，也可有效的提高結構抗扭能力。

4.2.2 下部結構除了承受上部恒載，汽車制動力和沖擊力、非線性溫度變化引起的內力、地震力等荷載之外，還承受離心力產生的徑向力等直線橋梁所沒考慮到的荷載。因此，雖然墩梁固結的措施可以相當程度的將上部扭矩傳遞到下部結構，但是采取這種措施時，必須對下部結構進行驗算，同時加大墩頭直徑，增加與梁底的接觸面積。

4.2.3 與相同跨徑的直線橋相比，小半徑的曲線箱梁在承受較縱向彎矩的同時，又要承受相當大的扭矩、橫向彎矩。因此，在具體設計工程中，需要考慮對縱向受力鋼筋、橫向分布鋼筋、縱向抗裂鋼筋進行適當加強。

4.2.4 在采取墩梁固結措施的基礎上，將墩支點向曲線外側設置一定的橫向偏心，可以有效地調整曲線梁橋恒載扭矩的重新分布，將上部結構的荷載傳遞到下部結構中，同時由于提高了結構的整體性，又能有效地降低梁端支點的恒載扭矩值，避免支點出現負反力。具體設計中對于墩柱的承載力需要單獨驗算，并且橋墩向外側的偏心值也應通過計算來確定。

5 結束語

根據對本項目的設計、分析，結合小半徑曲線梁橋的受力特點。對于曲線梁橋，在結構設計中，應對其進行全面的整體的空間受力計算分析。僅采用橫向分布等簡化計算方法，是不能滿足實際工況要求的。必須對全橋建立三維整體空間模型，分析其在自重、汽車活載、溫度、沉降等荷載作用下，其縱向彎曲、扭轉作用甚至橫向彎曲的受力特性，才能得到安全可靠的結構設計。

小半徑曲線梁橋的設計計算比較復雜，在具體設計過程中，可以采取一些相應的措施，如：跨中設置橫隔板、增加腹板數目、適當增加梁高、墩梁固結等以提高橋梁的穩定性；設置偏心支座等措施盡可能改善彎梁的受扭狀態等方法均可彌補結構自身缺陷所帶來的不利影響，從而設計出安全、可靠并且經濟適用的曲線橋梁。

參考文獻

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作者簡介：周紅成（1981，8-），男，工程師，工作單位：中山市規劃設計院。