山區曲線橋梁設計問題的探討

馮學俊

摘 要：地形阻礙與道路整體線形的布置對山區橋梁的設計過程產生了較大的不良影響，若僅僅采用直線線形將無法滿足具體的指標要求。本文簡述了曲線橋梁的受力特性與分析方法，并就不同曲率下的橋梁空間進行了深入分析，希望能夠為同行業工作者提供一些幫助。

關鍵詞：山區;曲線橋梁;設計問題;空間

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A

0 引言

山區曲線橋是我國交通事業發展道路上的重要內容，其與地形完美融合的線形流暢特性使得其既能夠提供給人們以視覺舒適感，也能夠最大限度的消除駕駛疲勞。曲率的存在使得在設計曲線橋時，要比直線橋的設計流程更加復雜。我國曲線橋發展時間并不長，經驗缺乏的情況下使得曲線橋設計往往只考慮到了剪力與彎矩，曲線橋自身特性分析受力環節的缺失，使得最終設計無法達到預期標準。針對該問題，應在建立曲線橋設計模型的基礎上，對支座反力、應力較差等問題進行深入分析，以完全掌握指標實時變化情況，從而達到完善曲線橋梁設計的目的。

1 曲線橋受力特性

第一是兩側撓度差異。一旦承受彎矩變形就將會產生撓度，尤其是扭矩與彎矩共同作用在橋梁結構時將會使結構兩側形成撓度差，通常情況下外側撓度大于內側撓度，二者之差與橋面寬度之間呈現成比例關系;第二是兩側應力差異。曲線橋梁結果在對稱荷載作用下將會出現較大扭矩，繼而形成外側應力較大而內側應力較小的現象[1];第三是在曲線橋的兩側經常會出現支反力差異現象。對于曲線橋來說最大的特點就是外側弧長大于內側弧長，該種結構的出現使得橋梁結構內側支座壓力要遠遠小于外側支座壓力。一旦曲率半徑縮小至一定范圍內，將產生內側支座與橋梁之間分離的現象;第四是橫梁作用。橫梁剛度較大，這使得其在整個橋梁結構中承擔著保持穩定性的重要作用。

2 曲線橋的具體分析方式

當下主要應用在曲線橋中的分析方式主要包括梁格系理論（箱梁與主梁）、正交異性板理論（變截面曲線橋）、有限單元法（全部曲線橋）、有限條法（截面高度不變）以及能量法（設置支撐的連續彎梁橋）[2]。為保證研究的有效性，本文選擇應用有限單元法。所謂有限單元法簡單來說就是加權殘值法與變分原理的綜合，求解過程主要為有限的不重疊單元。不同單元應確定函數解析的插值點，在加權殘值法或變分原理的幫助下形成對應的線性表達式，最后離散求解微分方程。

3 不同曲率條件下橋梁空間分析

3.1 工程概況

本文所研究的工程為某山區橋梁的一部分，箱梁截面的長為60 m，寬為10 m，其底板的寬度為7.5 m，厚度為22 cm與20 cm;按照預先設計的標準其半徑應控制在200 m左右，梁的高度為1.8 m，有12 cm厚的上部結構中墊層混凝土的應用需求，表面則鋪設10 cm厚的瀝青混凝土。

3.2 構建模型

本文在專業軟件的輔助下構建了曲線橋梁模型，通過對其曲率的相應變化研究支反力與扭矩等指標。本文所研究的工程所選擇的最終曲率為r=60 m、100 m、200 m、500 m以及1 km。

3.3 支反力變化分析

在應用軟件對所選取的橋梁截面進行分析后（端部截面、跨中截面以及中間支點截面），能夠得出有關外側支座反力的相關數據，相應數據如圖1所示。從圖中我們可以看到，所計算的三個位置呈現出的變化可以總結為：半徑的不斷增大使得內側支反應力也在同時增大，而外側的支反力卻在不斷減小。尤其是在半徑為60 m～500 m的范圍內，也表現出了較大的支反力增幅度，其外側的支反力減小幅度也較為明顯;若身處同一半徑范圍，則通常情況下內側的支反力要小于外側的支反力，且在半徑不斷增大的情況下，同一位置的內外側支反力數值一般相同。

3.4 扭矩的變化分析

在所構建的模型基礎上選擇應用專業的計算軟件能夠知曉，曲率的不同變化將會使曲線橋的兩端扭矩同時變化，具體的變化值如表1所示。

從表1中的數據我們可以看到，曲線橋梁半徑增大則梁端的扭矩變化幅值也將會同時表現出較大的變化幅度。例如半徑從60 m增加至100 m的情況下，扭矩也會減少3 242.17 kN·m;半徑從100增加至200時，扭矩值也會同時減小1 909.69 kN·m。按照這一規律以此類推能夠發現其中的規律：在扭矩不斷減小的情況下半徑卻在不斷增大，此時也就說明在曲線橋上所產生的扭矩逐漸減小。幅值變化情況則反映出在半徑增大的情況下扭矩的減小幅度也同時在縮減，這一點在半徑500 m至1 km的增加結果中能夠較為明顯的看到，其扭矩的幅度值僅僅只減小了272.65 kN·m。

由此可以總結出如下規律：若曲線橋所處的外部環境因素保持不變，半徑增大扭矩反而會越來越小;半徑達到500 m時，隨著半徑的不斷增大扭矩的變化幅度也將會逐漸趨向于平穩。

3.5 鋼筋預應力損失的深入分析

由于曲線橋的特殊性，使得在對其進行設計時若想對預應力進行分析具有較大的難度，主要原因是由于若有預應力的存在將同時會產生次應力，繼而對鋼筋布置情況產生較大的影響，這就需要在對曲線橋進行受力分析時應將關注重點放在預應力上。相關工作人員應在進行受力分析時與曲線橋的自身特點相結合，并聯系模型對不同曲率條件下的曲線橋預應力的實時損失變化情況進行深入分析研究，具體情況如表2所示。計算后所獲得的數據如圖2所示。

若選擇應用后張法所產生的預應力損失主要包括混凝土收縮變化、錨具變形、混凝土彈性壓縮、鋼筋與管道的摩擦以及鋼筋回縮等。這些因素所對材料造成的影響與曲線橋的半徑并沒有過多聯系，從對預應力的損失影響進行分析后能夠看出鋼筋與管道之間所存在的摩擦是導致預應力出現過多損失的主要原因。

從以上的數據能夠分析出，一旦曲線橋的半徑數據發生變化，伴隨著半徑的不斷增大所產生的預應力損失也將會同時變小，一旦達到800 m這一標準后預應力的損失變化幅度也將會逐漸縮減;曲率半徑不變的條件下由于橋面板寬度的特殊性，使得即使是同一截面的內側、外側以及中間部位也將會產生不同的預應力損失，整體呈現出內大于中大于外的趨勢。但該種趨勢變化伴隨著曲線橋半徑的不斷增大也將會逐漸趨向于平緩。

3.6 總結

曲率半徑減小將會使得內側的支反力也會同時減小，而外側的支反力卻會同時增大，這一變化趨勢在半徑60 m～

500 m的范圍內表現的最為明顯;若在半徑相同的條件下，一般來說內側支反力要小于外側，半徑不斷增大將會使得同一位置的內外側支反力數值也會逐漸趨向于等同;若外部條件相同，曲線橋曲率半徑的逐漸縮減將會使得其扭矩相應增大。達到500 m后扭矩的變化幅度將會逐漸趨向于平穩，從這一點中可以總結出應選擇應用抗扭支座作為梁端支座;即使是在同一界面上不同位置的預應力損失也會存在差異，半徑在800 m以上的情況下預應力損失變化幅度逐漸趨向于平穩。

4 結束語

綜上所述，曲線橋是我國交通事業發展過程中的重要部分，作為設計人員應從多個角度對曲線橋的設計過程進行深入分析，包括支反力、預應力以及扭矩等。需要注意的是曲線橋梁出現彎扭耦合是常見現象，該種現象所產生的作用不能被忽視。考慮到曲線橋梁的復雜性，因此應對其受力進行分析時聯系周圍環境條件，以消除設計安全隱患。

參考文獻：

[1]何中鵬.預應力混凝土曲線橋梁設計探析[J].交通世界，2019（32）：115-116.

[2]宋健.車橋耦合作用下曲線橋的動力響應分析[D].石家莊鐵道大學，2018.