小半徑鋼筋混凝土彎箱梁橋設計淺析

王 希 超

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

0 引言

近年來隨著我國社會經濟的發展，各類型機動車保有量快速增長，交通運輸壓力與日俱增，國家對交通建設的投入日漸加大，高速公路、市政道路等公路基礎設施建設進入快速發展期，另外隨著人口向城市集聚，城市規模也在逐步擴大，隨著城市高架橋建設的如火如荼，受制于城市用地緊張，橋梁展線較困難，采用彎橋可節約占地，適應性強，線形優美，且各個交通方向都可以實現交通轉換，同時經濟實用，在橋梁設計中應用較多，因此彎梁橋是橋梁工程中的一個重要的橋型。

采用整體斷面形式的彎箱梁橋在現代城市高架橋中較為常見，小半徑現澆箱梁結構應用日益廣泛，但近年來出現了彎橋幾起傾覆事故，造成巨大社會經濟及人員損失，因此加強彎橋設計總結，保證結構安全是非常必要的。

1 項目概述

某市政立交工程B匝道橋，為十字交叉兩主線之間連接匝道橋，受前后地形地物所限，匝道橋曲線半徑50 m，設計時速40 km/h，曲線半徑過小，設計方案采用4跨鋼筋混凝土連續梁橋，橋寬9 m。跨徑布置為4×20 m，平面布置詳見圖1，該聯橋主梁基本處于小半徑圓曲線上，上部結構采用箱形截面，采用單箱單室，橋面布置為0.5 m防撞墻+8 m行車道+0.5 m防撞墻，橋面鋪裝層為10 cm現澆混凝土層+9 cm瀝青混凝土，梁高1.5 m，翼緣寬1.75 m，箱梁頂、底板厚25 cm，腹板厚50 cm，腹板漸變段長5 m，端橫梁寬1.5 m，中橫梁寬1.8 m，跨中設0.4 m厚橫隔板，下部結構采用外形較美觀的花瓶墩接承臺、樁基礎，花瓶墩厚度1.3 m，結構尺寸詳見圖2。

2 彎橋受力特性

彎橋相對直橋受力復雜，在荷載的作用下同時產生彎矩和扭矩，并且互相影響，產生彎扭耦合效應，引起彎橋扭矩主要有曲線內外側弧差恒載、活載偏載布置、離心力及預應力產生，小半徑彎箱梁橋由于曲率影響內外側腹板長度有差異，箱梁橋外側腹板的受力要比內側腹板的受力更為不利，外側彎矩、撓度較內側大，扭矩的作用會造成內外梁應力的不均衡，通常會出現“內梁卸載，外梁超載”的情形。當扭矩較大時，由扭矩產生的翹曲作用會加大主梁的應力及撓度差值越大，在彎—扭耦合作用下，梁端可能發生翹曲，梁體有可能向曲線外側爬移橋寬越大、半徑越小彎橋效應越明顯。

彈性彎梁橋計算理論以平截面假定為前提，即彎梁的橫斷面在變形后仍保持為平面，彎梁橋的各梁之間或在需要抗扭力的地方需設橫梁，除設端、中橫梁外，一般彎箱梁橋應設置跨中橫隔板，盡量滿足受力整體性，跨中橫隔板間距一般取10 m左右,減少橫截面畸變引起的畸變應力。

在扭矩作用下聯端內側支座支反力較小甚至出現脫空，需驗算最不利工況下最小支反力，以防止支座脫空，另外彎橋抗傾覆計算是設計的重點，需保證抗傾覆安全系數滿足規范要求。

3 模型計算

結構總體分析采用橋梁博士4.3計算，建立空間模型進行分析，橋梁平面、縱斷均按實際情況模擬，考慮本橋橋寬9 m較窄，計算采用單梁模型計算，橫梁處按7自由度單元計算，結構材料、尺寸、支座約束按照實際情況模擬。

一期恒載為各構件實際自重，二期恒載即橋面系荷載，主要包括混凝土鋪裝、瀝青鋪裝及防撞墻；整體升降溫度：升溫25 ℃，降溫-25 ℃；梯度溫度根據瀝青厚度按規范取值；基礎不均勻沉降取5 mm。

活載按單向雙車道，公路—Ⅰ級，橫向按最不利偏載車道布置，最外側行車道中心線距防撞墻內緣1.4 m，程序自動選取最不利工況進行分析，恒載由于曲線影響引起的偏心彎矩按照實際情況計算，按曲率計算內外腹板弧長差2.1 m，按混凝土自重計算箱梁扭轉彎矩為25.9 kN/m；2號橋墩采用固定支座，其余墩臺分別為單向及雙向活動支座，采用徑向布置支座。

本橋為鋼筋混凝土箱梁，采用滿堂支架施工，施工階段步驟簡單明確，施工階段模擬主要分3個施工階段，依次為滿堂支架澆筑主梁施工、施工橋面系及成橋十年。

計算模型見圖3。

4 支座脫空計算及處理措施

初始設計方案采用支座間距2.8 m計算，經計算聯端內側支座出現脫空，出現較大負反力詳見表1，加大邊支點間距至3.2 m進行試算，最小支反力明顯改善但仍出現支座脫空。根據國內外彎橋設計經驗總結，設置橫向偏心可明顯增大最小支反力，第3種計算模式支座間距維持3.2 m不變，向曲線外側設置20 cm偏心，計算支座未脫空，最小支反力可達92 kN，考慮支反力安全儲備較低，進一步增加橫向偏心至30 cm，最小支反力提高至200 kN以上，橫向偏心布置詳見圖4,通過不同計算模式計算結果分析，增加支座間距和預設橫向偏心可較好解決支座脫空問題。

表1 標準組合最小支反力計算結果對比

在公路服務周期內，支座受車輛偏載作用有時會出現一定的負反力情況，尤其是難以預料超載車輛上橋，預設橫向偏心受結構限制不宜做過大，在防止支座脫空處理措施上除加大支座間距、設置橫向偏心外，還可以采用外伸端橫梁或增加端橫梁配重，外伸橫梁可大幅度加大支座間距，較好解決支反力問題，但也受限于橋墩間距是否有空間擴展布置，橋墩空間受限時也可適當增加橫梁寬度，增加支座恒載反力，提高支反力安全儲備。

另外采用抗拉支座應對支座脫空，一般普通盆式支座僅能承受單向壓力，抗拉性能差，小半徑市政高架彎橋可選用抗拉球型鋼支座，抗拉支座能夠承受一定上拉力，作為防止支座脫空和抗傾覆的輔助措施，可進一步保證結構安全。

5 抗傾覆穩定系數計算及處理措施

橋梁傾覆為脆性破壞，危害性極大，運營車輛出現超載對橋梁安全構成較大威脅，國內出現的幾起事故多為超載引起，甚至出現了多輛超載車輛同向偏載的極端工況，橋梁傾覆過程一般為單向受壓支座脫離正常受壓狀態,多為橋臺內側支座脫空開始，其余支座漸次脫空，上部結構的支撐體系不再提供有效約束,上部結構扭轉變形趨于發散,直至橋梁傾覆,支座/下部結構連帶損壞。在JTG 3362—2018公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范頒布以前，抗傾覆設計未引起足夠重視，安全要求也沒有明確的規定，新混凝土規范中明確規定了抗傾覆計算方法及穩定系數要求不小于2.5，經驗算支座間距3.2 m時抗傾覆系數并不滿足規范要求，受空間限制橋墩間距已無法再加大，2號墩墩高接近10 m，有條件采用墩梁固結，出于安全考慮，2號中墩最終設計采用墩梁固結，固結墩不設偏心,其余橋墩仍采用支座并預設橫向偏心30 cm，保證橋梁抗傾覆穩定性安全，避免橋梁出現橋梁傾覆脆性破壞事故。

2號墩采用墩梁固結后對橋梁上下部整體建模計算，主要計算結果見表2。

表2 模型主要計算結果

設計過程中通過對多個模型的反復計算對比分析，最終采用中墩墩梁固結，其余墩臺采用雙支座,盡量加大支座間距并預設橫向偏心30 cm的設計方案，主梁及橋墩強度裂縫均滿足規范要求，最小支反力控制在200 kN以上，采用墩梁固結也可避免出現橋梁傾覆的可能性。

6 結語

結合本橋設計分析總結，對于小半徑鋼筋混凝土彎箱梁橋，聯端支座容易發生脫空現象，為避免支座脫空現象的發生，在工程設計中可采用橋墩設置橫向偏心及增大支座間距、外伸橫梁、增加橫梁配重及設置抗拉支座等措施處理；另外彎橋抗傾覆穩定系數通常較低，給橋梁運營帶來較大的安全隱患，抗傾覆計算是彎橋設計重要內容，必要時設置墩梁固結加以解決；在彎橋設計中需注意降低彎橋病害，改善受力性能，保證結構安全，根據具體情況合理設計。