互通立交中曲線梁設(shè)計

于松馬

（常州市市政工程設(shè)計研究院有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

近幾年來，隨著我國城市規(guī)模的迅速發(fā)展以及城市道路需求的迅速增加，高架道路及互通立交的建設(shè)越來越多。在互通立交中，曲線梁橋占大部分，不僅僅滿足交通功能的要求，還能滿足人們審美視覺的要求。下面結(jié)合常州市高架道路工程中龍江路互通立交的匝道設(shè)計，探討一下預應(yīng)力混凝土曲線梁橋在設(shè)計中應(yīng)考慮和注意的問題。

1 結(jié)構(gòu)形式及跨徑的確定

龍江路互通立交匝道分三個層次，第一層次為城市環(huán)線流向，由全定向匝道ES和SE承擔；第二層次為龍江路北段和城北干道之間的交通，由半定向匝道NE和EN承擔；第三層次為新機場路與龍江路北段、龍江路南段之間的交通，由苜蓿葉匝道WN和SW承擔。ES和SE匝道半徑分別為225 m和300 m，NE和EN匝道半徑分別為150 m和500 m（450 m），NW和WS匝道半徑分別為180 m和370 m；WN和SW匝道半徑均采用60 m。

對于本次匝道結(jié)構(gòu)形式的確定，按照如下原則：匝道半徑大于等于100 m的，跨徑小于35 m橋梁采用預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，跨徑大于35 m橋梁采用鋼結(jié)構(gòu)；匝道半徑小于100 m的，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最大跨徑控制在25 m以下。

2 預應(yīng)力混凝土曲線梁橋設(shè)計要點[1-5]

2.1 計算方法的選擇

2.1.1 結(jié)構(gòu)力學方法

這種方法沿用桿系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學方法。首先將整個彎梁視為一根曲桿，把抗扭支座以贅余扭矩代替，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件求解未知力。但是彎梁橋由于扭矩的存在，每個腹板實際的受力是有差異的，一般的的平面桿系橋梁軟件無法體現(xiàn)出這個差異，所以不適用于半徑過小或?qū)挾容^寬的彎橋。

2.1.2 梁格法

梁格法是目前最常用的分析彎梁橋的方法。梁格法實質(zhì)是用一個等效的梁格來代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，是一個以梁為基本單元的有限元法。這種方法概念明確，容易理解和使用，借助計算機也比較容易操作。這種方法可分別計算出每根梁的受力情況，對每個腹板的受力差異有明確的反映。但此方法不能真實反映梁體扭矩分布情況，需借助其他方法計算。

2.1.3 空間有限元法

空間有限元法是最有效的分析方法。這種方法采用將橋梁沿縱向和橫向分割成大量的小單元，能夠反映出每個局部位置的受力，更加清晰的體現(xiàn)橋梁的受力情況。此外，計算橋梁的震動特性和驗算橋梁的抗震性能，也必須采用空間有限元法。但此方法模型建立工作量較大，后期結(jié)果分析也較復雜，需要付出較多的時間。

2.2 曲線梁橋的受力分析

與直線梁橋相比，曲線梁橋的受力性能有如下特點：（1）軸向變形與平面內(nèi)彎曲的耦合；（2）豎向撓曲變形與扭轉(zhuǎn)的耦合；（3）他們與截面畸變的耦合。其中最主要的是豎向撓曲變形與扭轉(zhuǎn)的耦合。由于這種耦合的存在，使曲線梁橋各個腹板的受力有所差異，設(shè)計配筋時，應(yīng)充分考慮這個差異。

在曲梁中，由于存在較大的扭矩作用，都會出現(xiàn)“外梁超載，內(nèi)梁卸載”的現(xiàn)象，這就會使內(nèi)外側(cè)支座反力差距較大，曲線半徑越小，差異越大。當活載偏置時，內(nèi)側(cè)支座反力會更小，甚至出現(xiàn)負反力，發(fā)生支座與梁體脫離的危險。

對于直線梁橋配置的預應(yīng)力鋼束，主要受力方向為豎直方向，而曲線梁橋，由于平面半徑的存在，預應(yīng)力鋼束受力方向與豎直方向有個夾角，其產(chǎn)生的效果會比不上直線橋梁，并且彎梁橋的預應(yīng)力鋼束的損失也要比相同規(guī)模的直線橋梁大，故彎梁橋配置的預應(yīng)力鋼束普遍比等規(guī)模直線梁橋要多。

2.3 支座預偏向的設(shè)置

考慮到了曲線梁橋支座反力的差異，最簡單及有效的措施就是往曲線外側(cè)沿徑向設(shè)置一定預偏心，從而達到扭矩分配均勻，防止產(chǎn)生負反力的目的。調(diào)整預偏心距步驟如下：

（1）先建立計算模型，每個橋墩支座均不設(shè)置偏心。參照直線梁橋配筋形式，對曲線梁橋配筋，繪制梁彎矩、剪力圖，以滿足梁縱向受力要求。

（2）輸出無活載情況下個支點反力情況，根據(jù)支反力差異大小，沿平面曲線徑向調(diào)整單位距離，然后再輸出無活載情況下個支點反力情況，看看差異情況，根據(jù)變化趨勢，找出偏心調(diào)整的最佳組合，當然不可能把每個橋墩的兩個支座反力值同時調(diào)整為一致，盡量保證兩支反力差異小于20%即可認為合理。

（3）調(diào)整好與偏心后，查看橋梁加入活載階段支反力情況，若兩支座支反力差異在控制范圍內(nèi)，則認為預偏心值是合適的。

2.4 截面抗扭設(shè)計

在進行配筋設(shè)計時，要充分考慮扭矩效應(yīng)。與直線梁不同，曲線梁應(yīng)在腹板側(cè)面布置較多受力鋼筋，其截面上下緣鋼筋也比同跨徑的直橋多。另外，除了要布設(shè)抗剪鋼筋外，還要配置較多的周圈封閉抗扭箍筋，鋼筋的直徑及間距根據(jù)橋規(guī)相關(guān)條款進行計算。

2.5 橫隔板的設(shè)置

曲線箱梁橋的在橋跨范圍內(nèi)要設(shè)置一些橫隔板，以加強橫向剛度，若不設(shè)置，橫截面的畸變引起的畸變應(yīng)力可能會超過受彎正應(yīng)力。

2.6 腹板防崩

對于彎梁橋，布置在腹板中的曲線預應(yīng)力鋼束，會對腹板產(chǎn)生徑向的崩裂力，應(yīng)予以計算，并配置防崩鋼筋，防止側(cè)向腹板崩裂，尤其在曲線內(nèi)側(cè)腹板。孫廣華博士在他編制的曲線梁橋計算程序使用說明中建議：

式中：P為一孔中鋼束最大張拉力，kN；R為孔道中心線半徑，m；K為安全系數(shù)，建議取4。

計算得出側(cè)向崩出力后，可根據(jù)規(guī)范相關(guān)條款進行沖切強度驗算。

2.7 對下部結(jié)構(gòu)的影響

曲線梁橋下部結(jié)構(gòu)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，還因為彎梁曲率的存在，多了離心力、支反力差異產(chǎn)生的彎矩、預應(yīng)力張拉時產(chǎn)生的徑向力等。墩頂水平力的分配非常復雜，計算下部結(jié)構(gòu)立柱配筋及樁基長度時，應(yīng)充分考慮這些力的影響。

3 設(shè)計實例

現(xiàn)以龍江路互通立交NE匝道第六聯(lián)為例，對比以上分析，簡要說明其設(shè)計上考慮到的問題。

本聯(lián)匝道為三跨一聯(lián)，每跨跨徑為30 m，箱梁寬8.0 m，平面曲線半徑為150 m。箱梁斷面采用弧形斷面，梁高1.75 m，頂?shù)装搴?0 cm，中腹板寬30 cm，邊腹板寬35 cm，每個橋墩均設(shè)置雙支座，橋梁平面及箱梁構(gòu)造見圖1。

圖1 橋梁平面及箱梁構(gòu)造圖（單位：mm）

預應(yīng)力鋼筋配好后，查看無活載狀態(tài)下反力值見表1。

顯然外側(cè)支座比內(nèi)側(cè)支座反力值大的多。經(jīng)多次調(diào)整支座預偏心值，最后確定為每個支座均沿平面徑向方向外移30 cm，得到調(diào)整后無活載狀態(tài)下反力值見表2。

表1未設(shè)預偏心下支座反力值 kN

表2 設(shè)30 cm預偏心下支座反力值 kN

從表2數(shù)據(jù)可看出，設(shè)置合適預偏心后，在恒載作用下，支座反力基本是平衡的。并查看了每個支座在運營狀態(tài)下的最小反力值，均有一定的壓力儲備，則認為預偏心值比較合理。

為加強箱梁橫向剛度，在每跨跨中設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚度為30 cm，并配置適量的鋼筋。

腹板防崩鋼筋按照30～50 cm間距設(shè)置，其一端與預應(yīng)力鋼束綁緊，另一端幫扎在腹板箍筋上。以使預應(yīng)力筋引起的徑向力傳遞給相反方向的混凝土和普通鋼筋，保證整個梁體共同工作。

箱梁的腹板變寬段長度及箍筋的配置，經(jīng)計算，均比等規(guī)模的直線橋有所加強；沿箱梁周圈設(shè)置了Φ18～Φ16的周圈抗扭鋼筋，間距為10～15cm。

4 結(jié)語

通過對龍江路互通立交橋的設(shè)計，總結(jié)曲線梁橋設(shè)計的要點如下：

（1）由于曲線梁橋內(nèi)外腹板的半徑不同，其力學性能亦不同，要正確計算，合理配筋。

（2）要充分考慮曲線梁橋的彎扭組合影響，保證必要的安全度。

（3）曲線梁橋的支座平面要合理，正確設(shè)置支座預偏心，使得上部梁體受力合理，減少配筋，也避免支座脫空的危害。

（4）要充分重視曲線梁橋橫向剛度的加強，以減少橫斷面的畸變應(yīng)力。

（5）曲線梁橋設(shè)計中要設(shè)置好側(cè)向防崩鋼筋，特別是內(nèi)側(cè)腹板。

（6）對箱梁的抗扭驗算引起足夠重視，特別是半徑較小彎梁橋。

應(yīng)該說，無論彎橋與否，預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在設(shè)計上還有很多值得注意之處，特別是新規(guī)范對預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計提出了更高要求，筆者只是根據(jù)自有的經(jīng)驗和認識，結(jié)合龍江路互通立交的設(shè)計，提出了粗淺看法，水平有限，錯誤再所難免，不足欠妥之處希望廣大同行批評指正。