基于曲线梁桥的设计研究与分析

张海峰

沈阳市于洪区公路管理处，辽宁沈阳 110024

随着城市的不断发展，城市交通问题在城市建设中越来越受到重视，为了缓解日益严重的交通拥堵问题，立交桥逐渐成为城市交通中必不可少的交通设施。立交桥通常受已有道路和周围环境的制约以及满足未来道路交通的需要，平面内通常采用曲线形式。与直线桥梁相比，因为曲线梁桥弯扭处存在耦合作用，所以其在受力上更加复杂。最近几年，频繁出现的曲线梁桥整体侧移甚至垮塌的事故，其主要原因就是桥梁支座布置不合理，当然也有其他方面的一些原因。因为桥梁支座的布置实质上决定了全桥的计算图式，进而影响了全桥的内力分布。

1 应用梁格法进行曲线箱梁空间分析

曲线梁桥桥型的受力特点与传统的直线梁桥存在着很大的不同，工程师们进行曲线梁桥的设计时，需要重点考虑的问题有很多，例如如何确定结构合理的支撑体系、支座位置以及活载内力、偏心调整、偏载对结构受力产生的影响等。设计曲线梁桥常用的计算方法主要有以下几种：梁格系分析法、变分原理解析法和数值分析有限元法。在实际设计过程中，梁格法凭借其易于操作和理解以及易于程序化的特点而得到了广泛的应用。它的基本设计思路是对桥梁上部结构进行离散分解，并设计一个刚度接近等效的梁格体系来代替桥梁上部结构，完成对这种等效梁格的分析后，再将分析结果还原到原结构中，进而取得需要的计算结果。

在工程实践中，梁格法以其高效、简便的特点在建筑空间分析方面得到了很多应用。梁格法用等效的梁格来模拟建筑上部的梁结构，对于钢筋混凝土结构来说，通常按纵横两个方向进行配筋，并且混凝土具有较小的泊松比，依据梁格法计算出来的纵、横两个方向的弯矩完全可以满足结构设计的精度要求；此外当梁格的网格设计的足够密时，经计算得出的翘曲效应可以对实际情况进行等效的反映。梁格法在实践中有很多应用，例如：实体板结构、空心板结构、单多室箱梁结构和异型板结构等。

在梁格法设计中梁格网格的疏密程度，将对结构模型的计算精度产生直接影响。从理论上讲，网格设计的越密越能反映真实结构，但是这样做会给工程施工带来很大的不便。因此在工程设计中不能一味的追求反映真实结构，而是需要在工程实践中要找到一个既能较好的反映结构受力特性又能在施工中方便运用的梁格划分原则。

梁格法以其简便且准确、可靠的优点，非常适合工程技术人员来使用。但是它也存在着一些问题，比如未能将剪力滞、扭转以及畸变产生的截面翘曲等考虑进去，所以在设计中就需要用三维程序来复核计算，来确保计算的准确性。实际上梁格法与三维空间程序在荷载效应计算上是存在着一些差异的，不过差值都在20%以内。这种差异产生的主要原因就是，梁格法通过拆分把连续的箱型结构转化为梁格体系，结构的整体刚性减小，同时结构的内力分配也相应的发生了变化，此外其横向联系也被削弱。这就使得通过梁格法与通过三维实体有限元法分别计算出的结果有偏差。在实际的工程设计中，常用的做法是将梁格法计算出的结果乘以安全系数，以此来确保结构安全。针对梁格法一方面无法体现剪力滞等效应，另一方面无法进行结构细部的应力分析，这些不足都需要空间程序来进行弥补和补充。不过三维实体模型法需要的节点数较多，对其的后期处理也很烦琐，而梁格法在模型建立阶段进行的处理相对简便易行，计算也比较简单，得出的结果也相对可靠，相比之下更适合于工程应用。

2 桥梁支座设计

桥梁支座是桥梁上下部的连结节点，是桥梁结构中的关键结构。在桥梁中，一方面恒载和活载这样的竖直荷载将使桥梁发生的竖直方向变形，另一方面如风力、震动力、离心力、以及温度变化引发的混凝土收缩力等水平方向的各种荷载将使桥梁产生水平方向的变形。此外曲线桥弯扭处有扭矩存在，其对支座的产生多方向不均匀的力。当桥梁的扭矩变大时，桥梁各支座的反力差值就会相应变大，某些时候甚至会产生反向的力。在进行立交桥的匝道桥设计时，由于受跨越道路型式的限制、对美观的要求以及其他方面的要求，很可能需要设计一些单支座独柱墩。同时联端的支座间距大小对梁的支座反作用力也有着较大的影响，一旦处理不当，可能会造成支座脱空，造成严重的工程事故。

3 横梁设计

横梁在曲线桥中，不仅起到连接主梁和加强结构横向刚度的作用，同时还是防止结构扭转确保全桥稳定的重要构件，合理的设置横梁可以防止主梁截面发生形变，防止其在受力过程中被压屈变形，利于结构荷载的合理分布，同时更好的满足施工和运输的需要。城市中的立交桥从美观角度出发，采用了大量的连续箱梁，在其下配有比较美观纤细的桥墩。而为了桥梁的安全行，盖梁通常采用暗梁，并在其下设置支座与桥墩连接。

4 曲线桥的抗震设计

曲线桥多被用于城市立交匝道或山区路段，它的一大特点就是一联内墩柱的高度相差很大，比如最高的桥墩高9m，而最低桥墩高度可能为5m。这样的特点就决定了整座桥的抗震设计重点是在桥梁支座、墩柱和支座的联合作用等方面的设计。曲线桥桥墩型式伸缩部分采用双柱墩，双支座墩应用双柱墩，单支座墩应用独柱墩，而支座部分则采用板式支座。在曲线桥中，其桥墩高度的不同和自身型式的差异决定了各墩柱刚度是不同的，在制动力、温度力等多种水平力的综合作用下，各墩柱的抗力相差是很大的。这就直接导致了在地震发生时，地震力将刚度较大的低矮桥墩直接剪坏，导致桥梁的垮塌，在近期发生的大地震中就发生了多例曲线桥因桥墩损毁而导致桥梁垮塌的实例。为了使桥墩刚度尽可能的均匀和对称，在工程实例中我们在选取支座时，首先要使其满足承载力和抗剪等方面的基本要求，在进行墩柱与支座的联合刚度计算时，要充分考虑墩柱与支座的联合作用，确保各桥墩的联合刚度基本一致，并以此来确定支座型号。桥梁抗震措施的设计也要特别注重，例如高墩中设置联系梁、设置合理的梁端搭接长度等。此外桥梁延性构造细节设计也很重要。

在实际设计，由于曲线梁桥的受力比较复杂，要采用合理而快捷的方法进行计算，梁格法既满足了结构受力设计的要求，同时又具有简便而易于应用的优势。在合理划分单元、设置纵横梁的前提下，梁格法完全可以达到设计精度的要求。在曲线梁的设计中，因为横梁的设计、支座位置和间距等的设计对整个结构都有重大的影响，所以就需要设计人员根据实际情况进行细致的分析。另外，在曲线梁桥设计中还存在一些问题，如：剪力滞的影响、弯扭问题等，还需要在今后的工作中进一步研究。

5 结论

在建成的桥梁中，存在着很多梁端内侧支座“脱空”的现象，主要的原因是桥梁内侧支座的反力太小，甚至出现负值的情况。因此我们要保证桥梁内侧支座处于受压状态，且具有一定的压力储备。在应用中比较有效的方法是控制桥梁边跨跨径，使中跨跨径与边跨跨径比较接近。当受客观条件限制，边跨跨径与中跨跨径相差较大时，应该采取其他措施，比如合理调整中跨与边跨的自重等方法来达到这一要求。

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