小半径曲线梁桥设计探讨

江 帆

(福州市市政建设开发有限公司， 福建 福州 350002)

小半径曲线梁桥设计探讨

江 帆

(福州市市政建设开发有限公司， 福建 福州 350002)

小半径曲线梁桥出现病害的现象较为常见。以一座在役的曲线梁桥为例，对其出现病害的原因进行分析，发现该桥的原设计方案存在明显缺陷。根据该桥的总体布置和地质条件，结合无伸缩缝桥的相关研究成果，对原设计方案进行优化，提出取消桥台处伸缩缝，将原桥台变更为半整体式台；在联接墩上增设盖梁，同时将原设计的活动支座改为固定支座，并增大支座之间的横向距离，形成抗扭约束；其余桥墩支座全部改为球形活动支座并设置预偏心。对优化设计后的曲线桥梁进行计算分析，结果表明优化设计方案具有明显的优越性，对今后类似工程的设计具有借鉴意义。

曲线桥； 小半径； 支座； 病害； 优化设计； 无伸缩缝桥梁

上世纪八十年代以来，中国修建了大量高速公路。在高速公路互通匝道桥中，小半径的曲线梁桥较为常见。对于大型互通立交而言，其匝道桥数量很多且互相穿插，若每个桥墩都采用双柱式，不仅占用桥下空间，而且由于互通范围内桥墩密布，行车视线较差。由于匝道桥的跨度和宽度一般不大，为了匝道桥桥型的美观以及桥下道路布设的需要，一些工程师在进行匝道桥的桥墩设计时采用独柱式桥墩。总体而言，大部分匝道桥的独柱墩设计是成功的，然而，在运营过程中，匝道桥也出现较多的病害，其中设置独柱墩的小半径曲线梁桥的支座病害最为常见，需要重点研究。

在工程实践中，我国桥梁建设者对曲线梁桥的受力特征及合理边界条件开展了大量的研究。任茶仙等(2000)[1]研究了连续曲线箱梁的预应力效应。陈枝洪等(2006)[2]分别应用梁格法和简单梁法，分析了独柱墩连续箱梁受力的基本特征及预应力效应。陈忠潮(2008)[3]阐述了曲线梁桥的常见病害及原因分析，提出曲线桥的设计不宜过分强调应力储备，宜树立“弱配(钢)束、强配(钢)筋”理念。许莉等(2009)[4]应用空间有限元法，分析了在不同荷载、不同支座布置形式下曲线箱梁桥的支座反力和位移，对其合理的支座布置形式进行探讨。李翊策等(2012)[5]采用有限元法对不同墩高曲线梁桥的受力性能进行分析，建议墩高大于8 m的曲线梁桥采用墩梁现浇固结，墩高较矮的曲线梁桥采用固定支座，并设置径向外侧的预偏心。张健、孙全胜、姜爱国、李广慧、平然等(2013)[6-10]对设置独柱墩的曲线梁桥的抗倾覆稳定性和各种不同支承体系下的曲线梁桥的受力性能进行了研究，并对曲线梁桥的设计理论和工程实践中存在的问题进行探讨。吕宏奎、彭新星等(2013、2014)[11，12]对曲线梁桥的支座设置、支座偏位问题及纠偏方案进行了研究。

本文以某小半径匝道桥在运营过程中出现的病害为例，对其病害原因进行详细分析，并进一步对工程实践中常见的小半径曲线梁桥的设计方案和加固措施进行讨论。在收集既有研究资料的基础上，结合该桥的总体布置和桥址处的地质条件，提出比原设计方案和相关文献更为合理、更为可靠的设计方案，可为今后类似工程借鉴。

1 工程概况

1.1 桥梁基本情况介绍

该桥的桥跨组合为18.0 m +4×20.0 m +18.0 m，平曲线半径为55.0 m，桥面纵坡为3.281%。B匝道桥标准断面为桥面宽度8.0 m+2×0.5 m防撞护栏，全宽9.0 m，匝道桥平面布置图见图1。上部结构采用现浇预应力混凝土连续空心板梁。下部结构中墩台编号顺序为从左到右递增，起点桥台(0号)采用钢筋混凝土肋板式台、桩基础；桥墩均采用钢筋混凝土桩柱式墩，其中1号、2号、4号、5号墩采用单柱式，3号、6号墩(联接墩)采用双柱式。本桥的支座型号有4000GD、6000DX、2000DX 、3000DX等。根据桥位地质勘探报告，本桥地表处淤泥层厚度为16～26 m之间。

图1 匝道桥桥型布置图

1.2 病害状况

根据桥梁检测报告，发现该桥除3号墩上固定支座外，其他支座都出现横向滑移现象，滑移最严重的为伸缩缝处6号墩上支座，滑移量达7.0 cm；桥台伸缩缝处的内侧支座和6号墩墩顶处的内侧支座出现脱空现象，两支座上下钢板锈蚀严重。由于梁体的整体跑位，伸缩缝出现上下错位的情况，桥台内侧挡块被梁体推挤，已经出现较明显的裂缝，见图2。

2 原因分析

2.1 原设计方案不够合理

从既有的相关研究资料[1-12]的分析可知，当曲线桥的半径很小且一联的桥孔数量较多时，容易出现伸缩缝处内侧支座脱空的现象。该桥的平曲线半径仅55 m，一联的桥孔数量达到6跨，且联端处支座的横向距离偏小，根据工程经验判断，其总体布置上可能存在不合理之处。为进一步了解该桥的受力情况，采用国内设计单位常用的桥梁结构分析软件“桥梁博士V3.3”，对该桥进行结构受力分析。

a) 内侧支座脱空

b) 墩上支座偏位

c) 伸缩缝错位

d) 挡块被推挤

计算时首先根据该桥的平曲线半径、原设计空心板尺寸、边界条件等，采用三维梁单元对全桥结构进行离散；根据该桥在建造过程中，采用逐孔现浇的施工工艺，在计算分析时将桥梁施工阶段分为5个步骤，前4个步骤根据现浇空心板的实际施工节段安装梁单元，并张拉相应节段的预应力钢束，第5个步骤为桥面铺装和栏杆的施工阶段。成桥后的全桥计算模型见图3。桥梁的结构自重、设计车辆荷载、车道布置、梁截面梯度温度及升温降温模式等计算参数，均根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 — 2004)、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023 — 85)的相关规定进行取值。

各支座在现行的桥梁设计规范最不利荷载组合下的最大反力Nmax、最小反力Nmin的计算结果见表1。由于结构的对称性，1号墩和5号墩、2号墩和4号墩、0号台和6号墩的支座反力非常接近，表1不再列出。从表1可见，双支座布置的墩台(0号台、3号墩)的曲线内侧支座均出现负反力。6号墩支座反力与0号台非常接近，其内侧支座的最小反力同样为负值。通过对分项荷载效应的进一步分析可知，曲线预应力索的空间效应、非均匀温度梯度作用、空心板的收缩徐变等不利组合的弯扭耦合作用，使该桥内侧支座反力很小甚至出现负值，最终出现内侧支座脱空现象。

表1 原设计各支座反力汇总表kN编号NmaxNmin0—11372-260—218734321408130122418331813—12682-163—236931191

2.2 超载现象较严重

该桥位于沿海经济较为发达的城镇，交通量非常大，甚至经常出现桥上堵车的现象；根据实际通行车辆的吨位统计数据，一些货车的总重量甚至超过100 t，大大超出JTG D60 — 2004规范所规定的公路一级的车辆荷载。

由于车辆超载、温度变化、曲线预应力束的空间效应等耦合作用，内侧支座出现脱空，从而导致上部结构的边界条件发生变化，对上部结构受力状态的影响较为显著。根据不定期的观测结果，该桥支座的滑移量仍在继续发展。由于梁体的开裂，受力钢筋更容易受到雨水、大气环境的腐蚀，结构的承载力和刚度均有所降低，且该桥的交通量较大，在频繁车辆荷载作用下，空心板的开裂日趋严重，亟需进行维修加固。

并发症发生率：研究组（5.00%）显著较对照组（25.00%）低，差异有统计学意义（P<0.05），见表 2。

3 讨论

3.1 设计优化方案一

一般认为，出现支座脱空的现象，是由于支座位置的布设不合理[3-5]。为此，拟将独柱墩(1号墩、2号墩、4号墩、5号墩)支座向曲线外侧横向外移21 cm；将0-2支座、3-2支座向曲线外侧横向外移33 cm。支座位置调整后，其最不利荷载组合下的最小支反力见表2，可见，所有支座均不再出现负反力。

可见，通过适当调整桥墩和桥台的支座位置，就能够在一定程度上改善该桥的受力状态。从设计角度，对支座的位置进行适当调整并不困难，对工程造价的影响也是有限的。因此，在设计阶段，对曲线桥梁的结构受力进行全面细致的分析，是非常重要的设计环节。

表2 支座反力汇总表(支座位置调整后)kN编号Nmin编号Nmin0-1225231580-22733-1395129933-2868

文献[3]指出，只要联端抗扭支座间距和中墩支座的预偏心距的设置组合得当，并辅以适当的水平限位，结构的安全是有保证的。该文献在介绍一座曲线桥的加固措施时，提出在联端分离式双柱顶增设盖梁，并将支座(桥台支座及6号墩支座)的距离拉大，形成联端抗扭支座从而达到改善联端曲线内侧支座受力的目的。

然而，调整支座位置的措施虽可达到改善支座受力，并有效地避免支座出现脱空的现象，但却难以解决空心板联端横向位移的问题。这种由于温度变化、竖向荷载作用所产生的空心板联端横向位移，使伸缩缝出现上下错位(见图2c)，在长期车辆荷载的冲击作用下，伸缩缝极易损坏；同时，空心板在联端的横向位移对桥台挡块将产生很大的推挤作用，将可能导致桥台挡块的彻底破坏(见图2d)。因此，优化设计方案一仍存在不足，需要寻找新的解决办法。

3.2 设计优化方案二

从第2节和第3.1节的分析可知，小半径弯桥的常见病害一般集中在空心板的联端翘曲和横向位移。因此，若能对空心板的联端进行适当约束，同时在其余墩上设置变形能力大的球形活动支座，使空心板的变形通过其曲率的微小变化实现，有望从根本上解决现有的小半径曲线梁桥存在的病害问题。

根据该桥的总体布置和地质条件，为了有效地限制空心板的联端横向位移和翘曲，拟取消桥台处伸缩缝，将原桥台变更为半整体式台；按第3.1节的设计在联接墩上增设盖梁，所增设的盖梁在曲线外侧的挡块尺寸应适当加大(联接墩构造见图4)，以便抵抗空心板由于温度变化等原因所产生的横桥向剪切力；根据结构分析结果，适当增大3号墩及联接墩处支座之间的横向距离，形成抗扭约束；1号～5号桥墩支座全部改为变形能力更大的球形活动支座，以适应空心板梁曲率的变化；所有独柱墩处的支座均根据结构分析结果，进行支座预偏心的合理设置。

图4 联接墩(6号)结构图

目前，无伸缩缝曲线梁桥的设计、研究、工程应用已有一些基础和工程实例。早在1972年，加拿大的安大略省就已经建成一座长度为598.3 m的无伸缩缝曲线桥，该桥曲率半径在218～1165 m之间变化，其主梁的温度变形是利用弧形梁体水平面内的弯曲变形得以实现[13]。既有文献研究资料表明，考虑桥墩的转动能力和桥台的承载能力时，整体式桥台桥梁的极限长度可以达到540 m;考虑温度位移产生的疲劳影响时，整体式桥台桥梁的极限长度可以达到450 m;考虑桥头搭板的耐久性时，极限长度可以达到430 m[14]。

常用的无伸缩缝桥梁的类型有整体式、半整体式、延伸桥面板等。一般情况下，当桥梁所在位置的地质条件较差时(软弱土层较厚)，其墩台的抗推刚度相对较小，能适应一定长度范围内的空心板梁在温度变化情况下的伸缩变形。本桥所在位置的地基中，淤泥层总厚度超过20 m，较合适于建造无伸缩缝桥梁。

采用与文献[14]相同的建模方法，利用ANSYS有限元软件建立三维有限元模型，对优化设计后的曲线桥梁进行结构分析验算，发现空心板梁的支座受力均处于受压状态，不再出现负反力的情况，且有较大的安全储备；空心板梁在联端受到一定的约束，其变形量非常小，可忽略不计；各墩处支座的变形量均小于25 mm，在球形支座的容许位移范围之内；所有墩台的承载力均符合现行规范的要求。

目前，国内已建成一些无伸缩缝桥梁[15,16]，已积累一些工程经验。但总体而言，这种新桥型仍有一些问题需要进一步研究，如桥台 — 桩 — 土系统的非线性作用以及简化计算方法、无伸缩缝桥梁的有效温度、半整体式或整体式桥台桥梁的受力性能等。

4 结语

曲线梁桥是最为常见的桥型之一，已经在我国的高速公路互通立交桥梁和大量的城市立交桥梁中得以广泛的应用。由于曲线梁桥弯扭耦合的受力性能、预应力钢束的空间耦合效应[17]、温度变化的作用，以及桥梁设计方案存在的不合理性、桥梁在运营过程中常见的超载现象等复杂原因，部分小半径曲线梁桥出现较为严重的病害，存在一定的安全隐患，需要引起重视。

通过对一座实桥的病害进行分析，发现该桥的主要病害在于部分支座(曲线内侧)出现脱空，且空心板在联端位置的横向位移过大，使原设计的桥梁结构的受力状态在一定程度上发生改变。对原设计方案的桥梁进行结构受力分析，发现其存在明显的不合理之处，是导致该桥出现严重病害的主因。对既有的加固案例及曲线梁桥的研究资料进行分析，发现常用的加固方案和设计优化方法虽可在一定程度上改善支座的受力状态，但仍无法解决空心板在联端位置的横向位移过大的问题。

根据该桥的总体布置和桥位处的软弱土层较厚的地质条件，结合既有的无伸缩缝桥的相关研究成果，提出对空心板的联端进行适当约束，同时对所有支座的位置和类型进行优化设计的方案，并采用有限元法对优化方案进行结构分析，结果表明，优化方案具有明显的优越性，适合于软土地基条件下的曲线梁桥的设计，可为今后类似工程的设计借鉴。

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2016-06-21

江帆( 1972-) ，男，高级工程师，主要从事市政建设。

1008-844X(2017)01-0118-04

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