有關曲線橋梁設計計算分析

朱 眾，周曉璽，李宏亮

（1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司,貴州貴陽 550000；2.貴州高速公路集團有限公司,貴州貴陽 550000）

0 引言

現階段，隨著城市化進程的加快，城市交通體系中城市立交得到迅速發展，我國道路等級得以不斷提高，使得曲線橋梁得到設計師的青睞[1]。在對中小橋梁平面進行布置設計過程中應當服從于立交線形，根據立交橋匝道的布置采用曲線橋梁的設計計算方法針進行設計，要求將異形橋梁的設計手段應用于城市立交橋中[2]。一般而言，曲線橋梁設計和施工中選擇使用就地澆筑的方法對箱形橋梁進行施工，其中以直代曲施工是曲線橋梁設計施工中最常規的一種施工型設計方法。曲線的半徑越大，以直代曲的直線段也就越大，但是橋梁工程曲線線形不會受太大的影響。本文對有關曲線橋梁設計計算進行分析和探討，為同類結構的設計提供相關技術參考。

1 曲線橋梁的設計構造

一般來說，曲線橋梁的建造采用就地澆筑鋼筋混凝土的方式，或者是采用預應力混凝土連續箱梁橋的方式。對于等截面連續曲線梁橋，其立面布置選擇以等跨徑的方式比較合適，也可以選擇不等跨布置的方式[3]。正常而言，橋梁采用的跨徑為20 m～60 m，高跨比約為1/15～1/25。對于變截面連續曲線箱梁橋，其立面布置設計中大多采用中跨跨徑不小于邊跨跨徑的布置方式，一般主跨徑的長度為40 m～70 m，邊跨跨徑是主跨跨徑的0.6倍～0.8倍。曲線橋梁支點截面的梁高是中間跨跨徑的1/16～1/18，最小不能低于1/20，跨中截面梁高大約是支點截面梁高的1/1.5～1/2.5。曲線橋梁的主梁采用箱形截面的方式，比較常見的箱形截面類型包括單箱單室、單箱雙室、單箱多室、雙箱單室、雙箱雙室以及雙箱多室等，其中單箱單室截面的頂板寬度不大于14 m，單箱雙室一般是20 m，雙箱多室頂板寬度比較長但是也不會超過40 m，腹板采用直腹板或者是斜腹板的方式。箱梁在支承處進行暗梁的設置，橋梁的端部是端橫梁，寬度一般為0.8 m～1.0 m，中支承是中橫梁，寬度一般為1～1.8 m，寬度的選擇取決于支承形式及橫梁受力等因素。針對薄壁箱梁而言，增設橫隔板是減小截面畸變變形的最佳方案。箱梁頂板、底板以及腹板的具體尺寸選取在本文中不作詳細描述。

2 支承形式

如果曲線橋梁的橋寬比較寬，橋梁的支承形式在端橫梁或者中橫梁的下腹板位置需要均勻設置數個支座，這種方式稱之為抗扭支承，全跨選擇的支承形式是一致的[4]。如果曲線橋梁的橋寬比較窄，比如說匝道橋梁的橋梁下部結構工程為了節省工程投資，一般會在橋梁的中支點位置進行單個支座的設置，這種做法叫做點鉸支承，匝道橋梁一般會在端部或者是連續跨數比較多的某一中支點進行抗扭支承的設置，其它中支點進行點鉸支承的設置。點鉸支承沿著徑向向外移動到一定的距離，對于連續曲線箱梁的扭矩可以起到非常明顯的增強作用。

在對曲線橋梁的構造進行布置設計后，能夠得到每一個支座反力數據，要求在任何情況下，每一個支座的反力不小于零，也就是支座始終處于受壓的狀態；在永久作用以及可變作用的雙重作用下，每一個支座反力也要求不小于零，也就是支座始終處于受壓狀態[5]。假如支反力不大于零，那么支座受到拉力，就有可能導致該支座上方的曲梁翹起，這種情況下一般會要求對橋梁跨度進行重新設置，或者是在該支座的上方箱梁上采用混凝土或者鋼錠壓重，確保支反力始終不小于零，支座永遠處于受壓狀態。得出的結論是永久作用或者是永久作用和可變作用的雙重作用下各個支反力不小于零，使得支座永遠處于受壓狀態。按照計算的支反力對支座進行選擇，支座施工時要求放置水平。

3 內力計算

連續曲線箱梁橋的內力涉及多個方面，包括彎矩、剪力、軸力以及扭矩等。在曲線橋梁進行設計的過程中，考慮到扭矩比較大，一般會使外側邊梁超載，內側梁卸載設計，曲線橋梁的內力分布不均勻，其中外梁的受力最大，而內梁受力最小[4]。與此相同的是內外梁的支點反力也有所區別，其中外側較大內側較小，如果活載偏置時，內梁有可能產生負向的反力，構造方面要采取合理的措施防止出現負反力，這種情況在支承形式中已經略作敘述[6]。

連續曲線箱梁橋內力，也就是彎矩、剪力、軸力以及扭矩，對內力進行計算就是超靜定結構，可以通過應用變形協調方程來對內力進行求解。假如結構單跨跨寬比大于2則稱之為窄橋，需要根據桿系結構對其進行計算；假如結構單跨跨寬比不大于2則稱之為寬橋，需要根據其平面結構對其進行計算。利用分析和計算能夠得到結構的內力包絡圖，如圖1所示是三跨連續曲線箱梁按桿系程序計算的單元劃分平面圖，圖2～圖4分別是用桿系程序計算所得的結構彎矩、剪力以及扭矩內力包絡圖。

圖1 位于圓緩曲線上的三跨連續箱梁桿系單元劃分平面圖

圖2 彎矩包絡圖

圖3 剪力包絡圖

圖4 扭矩包絡圖

4 計算機軟件應用

對曲線橋梁進行設計和計算過程中不可避免應用到相關計算軟件，假如缺乏軟件進行分析模擬就進行設計和計算，哪怕是曲線橋梁計算已經進行大量簡化，但是相對于工作人員的工作量來說，依然是比較復雜的。如果在計算軟件上比較缺乏有力支撐，哪怕是最佳的計算方法在具體工程實踐方面也無法取得真實有效的應用，而且最主要的是工作人員需要進行相當復雜而又繁瑣的工程設計計算過程。現階段，比如說ANSYS、SAP等空間程序以及專業橋梁有限元分析軟件Midas Civil和橋梁博士等彈性薄壁桿桿系程序都是一些大量應用于曲線橋梁設計的計算程序軟件。針對曲線橋梁進行設計和計算時，空間程序的應用不太常見，這是因為ANSYS和SAP在具體的應用方面也存在一些困難，一般來說這些程序在深入開展研究的時候應用的頻次比較高。在曲線橋梁計算機軟件方面的有限元程序，包括應用在寬橋的平面格構模型程序和應用在窄橋中的曲桿程序等，首先要對其進行劃分，分成支承形式、有限單元以及有限元節點，之后在計算程序中輸入結構模型，緊接著把結構重力密度和截面形式輸入到程序中，最后是輸入可變作用荷載相關參數，經過相應的計算可以得到一系列數據，包括結構內力扭矩、剪力以及彎矩等的支座反力以及包絡圖，以此把內力包絡圖當時是按照針對橋梁結構當中的截面尺寸等相關的數據進行判別。

5 結語

總而言之，對曲線橋梁進行計算分析，目前大多數是利用相應的計算機軟件，把橋梁結構的內力、反力等數據準確的計算出來，同時把計算得出的反力作為依據，然后對支座的形式和類型進行選擇。一般而言，要求反力不小于零，換言之要選擇處于受壓狀態下的支座，最后將計算所得內力當做根據，利用相應的計算機軟件，對曲線橋梁中的抗扭、抗剪以及抗彎配筋等數據進行計算，進而由得出的數據對曲線橋梁中的結構鋼筋進行配置。

[1]楊飛,萬鵬愷.曲線橋梁設計的方法[J].江西建材,2011(3):169-171.

[2]劉柏青,張士鐸.十九、曲線橋梁(上)[J].中南公路工程,1989(1):47-56.

[3]劉柏青,張士鐸.二十、曲線橋梁(下)[J].中南公路工程,1989(2):38-43+59.

[4]姬東方.公路曲線橋梁折線布設研究[J].西部探礦工程,2003(11):128-130.

[5]高曉安,周錫元.曲線橋梁在多向地震作用下的動力分析方法[J].特種結構,2005(1):56-59+88.

[6]孫旭霞.曲線梁橋的支座計算分析[J].山西建筑,2008(17):330-331.