有关曲线桥梁设计计算分析

朱 众，周晓玺，李宏亮

（1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州贵阳 550000；2.贵州高速公路集团有限公司,贵州贵阳 550000）

0 引言

现阶段，随着城市化进程的加快，城市交通体系中城市立交得到迅速发展，我国道路等级得以不断提高，使得曲线桥梁得到设计师的青睐[1]。在对中小桥梁平面进行布置设计过程中应当服从于立交线形，根据立交桥匝道的布置采用曲线桥梁的设计计算方法针进行设计，要求将异形桥梁的设计手段应用于城市立交桥中[2]。一般而言，曲线桥梁设计和施工中选择使用就地浇筑的方法对箱形桥梁进行施工，其中以直代曲施工是曲线桥梁设计施工中最常规的一种施工型设计方法。曲线的半径越大，以直代曲的直线段也就越大，但是桥梁工程曲线线形不会受太大的影响。本文对有关曲线桥梁设计计算进行分析和探讨，为同类结构的设计提供相关技术参考。

1 曲线桥梁的设计构造

一般来说，曲线桥梁的建造采用就地浇筑钢筋混凝土的方式，或者是采用预应力混凝土连续箱梁桥的方式。对于等截面连续曲线梁桥，其立面布置选择以等跨径的方式比较合适，也可以选择不等跨布置的方式[3]。正常而言，桥梁采用的跨径为20 m～60 m，高跨比约为1/15～1/25。对于变截面连续曲线箱梁桥，其立面布置设计中大多采用中跨跨径不小于边跨跨径的布置方式，一般主跨径的长度为40 m～70 m，边跨跨径是主跨跨径的0.6倍～0.8倍。曲线桥梁支点截面的梁高是中间跨跨径的1/16～1/18，最小不能低于1/20，跨中截面梁高大约是支点截面梁高的1/1.5～1/2.5。曲线桥梁的主梁采用箱形截面的方式，比较常见的箱形截面类型包括单箱单室、单箱双室、单箱多室、双箱单室、双箱双室以及双箱多室等，其中单箱单室截面的顶板宽度不大于14 m，单箱双室一般是20 m，双箱多室顶板宽度比较长但是也不会超过40 m，腹板采用直腹板或者是斜腹板的方式。箱梁在支承处进行暗梁的设置，桥梁的端部是端横梁，宽度一般为0.8 m～1.0 m，中支承是中横梁，宽度一般为1～1.8 m，宽度的选择取决于支承形式及横梁受力等因素。针对薄壁箱梁而言，增设横隔板是减小截面畸变变形的最佳方案。箱梁顶板、底板以及腹板的具体尺寸选取在本文中不作详细描述。

2 支承形式

如果曲线桥梁的桥宽比较宽，桥梁的支承形式在端横梁或者中横梁的下腹板位置需要均匀设置数个支座，这种方式称之为抗扭支承，全跨选择的支承形式是一致的[4]。如果曲线桥梁的桥宽比较窄，比如说匝道桥梁的桥梁下部结构工程为了节省工程投资，一般会在桥梁的中支点位置进行单个支座的设置，这种做法叫做点铰支承，匝道桥梁一般会在端部或者是连续跨数比较多的某一中支点进行抗扭支承的设置，其它中支点进行点铰支承的设置。点铰支承沿着径向向外移动到一定的距离，对于连续曲线箱梁的扭矩可以起到非常明显的增强作用。

在对曲线桥梁的构造进行布置设计后，能够得到每一个支座反力数据，要求在任何情况下，每一个支座的反力不小于零，也就是支座始终处于受压的状态；在永久作用以及可变作用的双重作用下，每一个支座反力也要求不小于零，也就是支座始终处于受压状态[5]。假如支反力不大于零，那么支座受到拉力，就有可能导致该支座上方的曲梁翘起，这种情况下一般会要求对桥梁跨度进行重新设置，或者是在该支座的上方箱梁上采用混凝土或者钢锭压重，确保支反力始终不小于零，支座永远处于受压状态。得出的结论是永久作用或者是永久作用和可变作用的双重作用下各个支反力不小于零，使得支座永远处于受压状态。按照计算的支反力对支座进行选择，支座施工时要求放置水平。

3 内力计算

连续曲线箱梁桥的内力涉及多个方面，包括弯矩、剪力、轴力以及扭矩等。在曲线桥梁进行设计的过程中，考虑到扭矩比较大，一般会使外侧边梁超载，内侧梁卸载设计，曲线桥梁的内力分布不均匀，其中外梁的受力最大，而内梁受力最小[4]。与此相同的是内外梁的支点反力也有所区别，其中外侧较大内侧较小，如果活载偏置时，内梁有可能产生负向的反力，构造方面要采取合理的措施防止出现负反力，这种情况在支承形式中已经略作叙述[6]。

连续曲线箱梁桥内力，也就是弯矩、剪力、轴力以及扭矩，对内力进行计算就是超静定结构，可以通过应用变形协调方程来对内力进行求解。假如结构单跨跨宽比大于2则称之为窄桥，需要根据杆系结构对其进行计算；假如结构单跨跨宽比不大于2则称之为宽桥，需要根据其平面结构对其进行计算。利用分析和计算能够得到结构的内力包络图，如图1所示是三跨连续曲线箱梁按杆系程序计算的单元划分平面图，图2～图4分别是用杆系程序计算所得的结构弯矩、剪力以及扭矩内力包络图。

图1 位于圆缓曲线上的三跨连续箱梁杆系单元划分平面图

图2 弯矩包络图

图3 剪力包络图

图4 扭矩包络图

4 计算机软件应用

对曲线桥梁进行设计和计算过程中不可避免应用到相关计算软件，假如缺乏软件进行分析模拟就进行设计和计算，哪怕是曲线桥梁计算已经进行大量简化，但是相对于工作人员的工作量来说，依然是比较复杂的。如果在计算软件上比较缺乏有力支撑，哪怕是最佳的计算方法在具体工程实践方面也无法取得真实有效的应用，而且最主要的是工作人员需要进行相当复杂而又繁琐的工程设计计算过程。现阶段，比如说ANSYS、SAP等空间程序以及专业桥梁有限元分析软件Midas Civil和桥梁博士等弹性薄壁杆杆系程序都是一些大量应用于曲线桥梁设计的计算程序软件。针对曲线桥梁进行设计和计算时，空间程序的应用不太常见，这是因为ANSYS和SAP在具体的应用方面也存在一些困难，一般来说这些程序在深入开展研究的时候应用的频次比较高。在曲线桥梁计算机软件方面的有限元程序，包括应用在宽桥的平面格构模型程序和应用在窄桥中的曲杆程序等，首先要对其进行划分，分成支承形式、有限单元以及有限元节点，之后在计算程序中输入结构模型，紧接着把结构重力密度和截面形式输入到程序中，最后是输入可变作用荷载相关参数，经过相应的计算可以得到一系列数据，包括结构内力扭矩、剪力以及弯矩等的支座反力以及包络图，以此把内力包络图当时是按照针对桥梁结构当中的截面尺寸等相关的数据进行判别。

5 结语

总而言之，对曲线桥梁进行计算分析，目前大多数是利用相应的计算机软件，把桥梁结构的内力、反力等数据准确的计算出来，同时把计算得出的反力作为依据，然后对支座的形式和类型进行选择。一般而言，要求反力不小于零，换言之要选择处于受压状态下的支座，最后将计算所得内力当做根据，利用相应的计算机软件，对曲线桥梁中的抗扭、抗剪以及抗弯配筋等数据进行计算，进而由得出的数据对曲线桥梁中的结构钢筋进行配置。

[1]杨飞,万鹏恺.曲线桥梁设计的方法[J].江西建材,2011(3):169-171.

[2]刘柏青,张士铎.十九、曲线桥梁(上)[J].中南公路工程,1989(1):47-56.

[3]刘柏青,张士铎.二十、曲线桥梁(下)[J].中南公路工程,1989(2):38-43+59.

[4]姬东方.公路曲线桥梁折线布设研究[J].西部探矿工程,2003(11):128-130.

[5]高晓安,周锡元.曲线桥梁在多向地震作用下的动力分析方法[J].特种结构,2005(1):56-59+88.

[6]孙旭霞.曲线梁桥的支座计算分析[J].山西建筑,2008(17):330-331.