陳志亮

廣州市公路勘察設(shè)計(jì)有限公司

彎橋設(shè)計(jì)淺談

陳志亮

廣州市公路勘察設(shè)計(jì)有限公司

介紹了彎橋的受力特點(diǎn),并分析了彎橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮和注意的一些問(wèn)題。

彎橋;受力特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);彎扭;耦合

1 概 述

近年來(lái),隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,城市基礎(chǔ)設(shè)施也要求越來(lái)越完善，彎橋在現(xiàn)代化的公路及城市道路橋梁中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。尤其在互通式立交的匝道橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用更為廣泛。由于受地形、地貌和占地面積及城市美化等因素的影響，使得高架結(jié)構(gòu)和立交結(jié)構(gòu)橋梁有彎、斜及異型的特點(diǎn)，橋梁平面線型設(shè)計(jì)受到一定的制約，而彎橋相比于直線橋?qū)Φ匦蔚孛驳倪m應(yīng)性較強(qiáng)，能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。彎橋?yàn)閺澟ゑ詈献饔孟聫?fù)雜的空間受力結(jié)構(gòu)。其受力性能與橋梁的曲率半徑、跨徑、截面形式、寬跨比、抗彎剛度、抗扭剛度、支座的約束形式以及外荷載類型等有關(guān)。

2 彎橋的受力特點(diǎn)

2.1 梁體的彎扭耦合作用

彎橋能很好地克服地形、地物的限制,可以讓設(shè)計(jì)者較自由地發(fā)揮自己的想象,通過(guò)平順、流暢的線條給人以美的享受。但是彎橋的受力比較復(fù)雜。

彎橋工作的特點(diǎn)主要取決于曲率大小的影響。當(dāng)垂直荷載作用于彎橋上時(shí)，彎橋?qū)⑼瑫r(shí)產(chǎn)生彎矩和扭矩，并且相互影響，造成彎橋力學(xué)分析的復(fù)雜性。與直線橋相比,彎橋的受力性能有如下特點(diǎn): (1)梁體的彎扭耦合作用,即梁截面內(nèi)產(chǎn)生彎矩的同時(shí)，必然地伴隨著產(chǎn)生耦合扭矩，同理，在產(chǎn)生扭矩的同時(shí)也伴隨著產(chǎn)生相應(yīng)的耦合彎矩。梁截面處于彎扭共同作用的狀態(tài)，其截面主拉應(yīng)力往往比相應(yīng)的直梁橋大得多，這是彎主要的受力特點(diǎn)。(2)彎橋在外荷載的作用下，還會(huì)出現(xiàn)橫向彎矩。(3)由于彎扭耦合作用，彎橋的變形比同樣跨徑直線橋要大，外邊緣的撓度大于內(nèi)邊緣的撓度，而且曲率半徑越小、橋越寬，這一趨勢(shì)越明顯。同時(shí)在梁端可能出現(xiàn)翹曲，當(dāng)梁端橫橋向約束較弱時(shí)，梁體有向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢(shì)。

在彎橋中,由于存在較大的扭矩,因而通常會(huì)出現(xiàn)“外梁超載,內(nèi)梁卸載”的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象在小半徑的寬橋中特別明顯。當(dāng)活載偏置時(shí)，內(nèi)側(cè)可能產(chǎn)生負(fù)反力，這時(shí)如果支座不能承受拉力，就會(huì)出現(xiàn)梁體與支座的脫離，即“支座脫空”現(xiàn)象。

2.2 下部橋梁墩臺(tái)的受力情況

由于內(nèi)外側(cè)支座反力相差較大,使各墩柱所受垂直力出現(xiàn)較大差異。當(dāng)扭矩很大時(shí),如果設(shè)置了拉壓支座,有些墩柱甚至?xí)霈F(xiàn)拉力。

彎橋下部結(jié)構(gòu)墩頂水平力,除了與直橋一樣有制動(dòng)力、溫度力、地震力等以外,還因?yàn)閺澢实拇嬖?多了離心力和預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)產(chǎn)生的徑向力。

由于彎橋受力比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行全面的空間受力計(jì)算分析。應(yīng)對(duì)其在承受縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)和翹曲變形作用下，結(jié)合自重、預(yù)應(yīng)力、溫度力和活載等荷載進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，只有充分考慮了彎橋的受力特點(diǎn)，才能做到安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 彎橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直線橋受“彎、剪”作用，而彎橋處于“彎、剪、扭”的復(fù)合受力狀態(tài)，故上、下部結(jié)構(gòu)必須構(gòu)成有利于抵抗“彎、剪、扭”的措施。

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前曲線梁橋的受力計(jì)算一般借助于計(jì)算機(jī)來(lái)完成，分析方法較多，如：M/R法、一根曲線梁法、梁格分析法、有限元和有限條法等，而梁格法在設(shè)計(jì)單位得到較為廣泛應(yīng)用。

3.1.1 M/R法

這種方法是彎橋計(jì)算的一種簡(jiǎn)易分析方法，它是建立在純扭轉(zhuǎn)理論基礎(chǔ)上的。根據(jù)文獻(xiàn)資料提供的數(shù)據(jù)，M/R法的近似程度主要取決于中心角、彎曲、扭轉(zhuǎn)的剛度比及兩端的約束條件。在此方法中，受彎和扭轉(zhuǎn)應(yīng)分別計(jì)算。用拉直曲線梁至其全部展開長(zhǎng)度的相應(yīng)直梁以確定彎矩、豎向剪力；扭轉(zhuǎn)采用共軛梁法。

3.1.2 一根曲線梁法

這種方法也是建立在純扭轉(zhuǎn)理論基礎(chǔ)上的，并且彎橋的上部結(jié)構(gòu)也是用一根彈性桿件來(lái)代表的。只不過(guò)這種方法應(yīng)用更為廣泛，例如，沿梁軸不僅可以作用有均布扭矩，還可以作用有集中扭矩；橫截面也可以不對(duì)稱；中心角的大小、彎曲與扭轉(zhuǎn)剛度比以及兩端的約束條件，都不影響計(jì)算結(jié)果精度。

3.1.3 梁格法

梁格法是目前最常用的分析彎橋的方法。它易于理解，便于使用，并且是比較精確的方法，因此在各種類型的橋梁分析中廣泛應(yīng)用。此方法主要要點(diǎn)是：根據(jù)結(jié)構(gòu)的形式和性能將上部結(jié)構(gòu)離散為縱、橫交錯(cuò)的網(wǎng)格，把分散在梁每一區(qū)格內(nèi)的抗彎和抗扭剛度假定集中于最鄰近的等效的梁格內(nèi)，即縱向剛度集中于縱向梁內(nèi)、橫向剛度集中于橫向梁內(nèi)，盡量使模型與實(shí)際受力狀態(tài)吻合。當(dāng)結(jié)構(gòu)原型和等效梁格承受形同的荷載時(shí)，它們的撓曲變形相等，并且在任一梁格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩均等于它們所代表的那一部分上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。但是由于結(jié)構(gòu)原型和梁格模型有著不同的結(jié)構(gòu)特性(例如梁格之間結(jié)構(gòu)不連續(xù)，梁格的節(jié)點(diǎn)上應(yīng)力集中)，因此這種假定只能是近似的。一般來(lái)說(shuō)，梁格網(wǎng)越密，這種近似性就越好?，F(xiàn)在運(yùn)用梁格法計(jì)算理論編制而成的橋梁計(jì)算軟件越來(lái)越多，如同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的“橋梁博士”和北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開發(fā)的“midas Civil”等都有梁格法計(jì)算方法。

3.1.4 有限元法和有限條法

有限元法是計(jì)算彎橋最有效的分析方法，其精度取決于所采用的單元模型。這種方法常采用空間梁?jiǎn)卧?、板殼單元以及?shí)體單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu),能計(jì)算任意形狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。板殼單元以和實(shí)體單元可以充分計(jì)入翹曲、畸變、剪力滯等的影響，計(jì)算精度高，但其結(jié)果為應(yīng)力狀態(tài)，用于設(shè)計(jì)配筋顯得相當(dāng)麻煩。

有限條法是有限元法的特殊形式，它們的區(qū)別在于單元的位移函數(shù)不同。有線條法常用于解決規(guī)則結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單邊界條件，它不能考慮內(nèi)橫隔板的作用。

3.2 支承和下部分析

彎橋的不同支承方式，對(duì)其上、下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常大。對(duì)于連續(xù)彎橋，中間支承一般分抗扭型支承(多支點(diǎn)或墩梁固結(jié)）和獨(dú)柱點(diǎn)鉸支承。對(duì)于較寬的橋(一般橋?qū)?12m)和曲線半徑較大(一般R>100m)的彎橋，主梁設(shè)計(jì)一般扭轉(zhuǎn)較小，故設(shè)抗扭支承比設(shè)點(diǎn)鉸支承比較合理；對(duì)于較窄的橋(一般橋?qū)?12m)和曲線半徑較小(一般R<100m)的彎橋，主梁設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)較大，一般將中間墩布置成獨(dú)柱點(diǎn)鉸支承。橋體端部支承一般設(shè)置成多支點(diǎn)抗扭型支承。這種支承方式可有效地提高主梁的橫向抗扭性能，保證其橫向穩(wěn)定性。

設(shè)置抗扭型支承需注意：當(dāng)橋墩高度較矮時(shí)，也即墩柱相對(duì)剛度較大時(shí)，應(yīng)選擇多支點(diǎn)支承；當(dāng)橋墩高度較高時(shí)，中墩可采用墩柱與梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)支承形式。

彎橋橋墩受力除了與直橋一樣要承受自重、車輛荷載、溫度力、地震力等外,還要承受離心力、彎梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徑向力等。這樣彎橋橋墩受力較直橋復(fù)雜，而且橋墩所受的外力方向常發(fā)生變化，計(jì)算需考慮雙向偏心,墩柱采用圓形截面比較合理。

4 彎橋設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

4.1 彎橋的支座設(shè)置要合理，正確設(shè)置支座預(yù)偏心，使得上部梁體受力合理，減少配筋。

支承方式的不同影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),要分別采用不同的約束進(jìn)行試算,然后決定結(jié)構(gòu)的支承方式。

4.2 彎橋箱梁橋的橫隔板設(shè)置要比相應(yīng)的直橋有所加強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置內(nèi)橫隔板，否則橫斷面畸變引起的畸變應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)受彎正應(yīng)力。

4.3 橋?qū)捿^窄的彎橋宜加大箱體寬度減少懸臂長(zhǎng)度，以增大主梁抗扭能力。

4.4 對(duì)于設(shè)預(yù)應(yīng)力的彎橋，由于預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的水平力很大，需設(shè)置一定的防崩鋼筋，否則容易引起腹板崩裂和鋼束崩出主梁。

5 結(jié)論

本文主要介紹了彎橋的受力特點(diǎn)和一些設(shè)計(jì)方法，彎橋由于其結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)應(yīng)引起足夠的重視。

[1]吳西倫.彎梁橋設(shè)計(jì).北京：人民交通出版社.1990

[2]姚玲森.混凝土彎橋設(shè)計(jì).北京：人民交通出版社.1990

[3]公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范.JTG D62-2004

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.016