山区曲线桥梁设计问题的探讨

冯学俊

摘 要：地形阻碍与道路整体线形的布置对山区桥梁的设计过程产生了较大的不良影响，若仅仅采用直线线形将无法满足具体的指标要求。本文简述了曲线桥梁的受力特性与分析方法，并就不同曲率下的桥梁空间进行了深入分析，希望能够为同行业工作者提供一些帮助。

关键词：山区;曲线桥梁;设计问题;空间

中图分类号：U442.5 文献标识码：A

0 引言

山区曲线桥是我国交通事业发展道路上的重要内容，其与地形完美融合的线形流畅特性使得其既能够提供给人们以视觉舒适感，也能够最大限度的消除驾驶疲劳。曲率的存在使得在设计曲线桥时，要比直线桥的设计流程更加复杂。我国曲线桥发展时间并不长，经验缺乏的情况下使得曲线桥设计往往只考虑到了剪力与弯矩，曲线桥自身特性分析受力环节的缺失，使得最终设计无法达到预期标准。针对该问题，应在建立曲线桥设计模型的基础上，对支座反力、应力较差等问题进行深入分析，以完全掌握指标实时变化情况，从而达到完善曲线桥梁设计的目的。

1 曲线桥受力特性

第一是两侧挠度差异。一旦承受弯矩变形就将会产生挠度，尤其是扭矩与弯矩共同作用在桥梁结构时将会使结构两侧形成挠度差，通常情况下外侧挠度大于内侧挠度，二者之差与桥面宽度之间呈现成比例关系;第二是两侧应力差异。曲线桥梁结果在对称荷载作用下将会出现较大扭矩，继而形成外侧应力较大而内侧应力较小的现象[1];第三是在曲线桥的两侧经常会出现支反力差异现象。对于曲线桥来说最大的特点就是外侧弧长大于内侧弧长，该种结构的出现使得桥梁结构内侧支座压力要远远小于外侧支座压力。一旦曲率半径缩小至一定范围内，将产生内侧支座与桥梁之间分离的现象;第四是横梁作用。横梁刚度较大，这使得其在整个桥梁结构中承担着保持稳定性的重要作用。

2 曲线桥的具体分析方式

当下主要应用在曲线桥中的分析方式主要包括梁格系理论（箱梁与主梁）、正交异性板理论（变截面曲线桥）、有限单元法（全部曲线桥）、有限条法（截面高度不变）以及能量法（设置支撑的连续弯梁桥）[2]。为保证研究的有效性，本文选择应用有限单元法。所谓有限单元法简单来说就是加权残值法与变分原理的综合，求解过程主要为有限的不重叠单元。不同单元应确定函数解析的插值点，在加权残值法或变分原理的帮助下形成对应的线性表达式，最后离散求解微分方程。

3 不同曲率条件下桥梁空间分析

3.1 工程概况

本文所研究的工程为某山区桥梁的一部分，箱梁截面的长为60 m，宽为10 m，其底板的宽度为7.5 m，厚度为22 cm与20 cm;按照预先设计的标准其半径应控制在200 m左右，梁的高度为1.8 m，有12 cm厚的上部结构中垫层混凝土的应用需求，表面则铺设10 cm厚的沥青混凝土。

3.2 构建模型

本文在专业软件的辅助下构建了曲线桥梁模型，通过对其曲率的相应变化研究支反力与扭矩等指标。本文所研究的工程所选择的最终曲率为r=60 m、100 m、200 m、500 m以及1 km。

3.3 支反力变化分析

在应用软件对所选取的桥梁截面进行分析后（端部截面、跨中截面以及中间支点截面），能够得出有关外侧支座反力的相关数据，相应数据如图1所示。从图中我们可以看到，所计算的三个位置呈现出的变化可以总结为：半径的不断增大使得内侧支反应力也在同时增大，而外侧的支反力却在不断减小。尤其是在半径为60 m～500 m的范围内，也表现出了较大的支反力增幅度，其外侧的支反力减小幅度也较为明显;若身处同一半径范围，则通常情况下内侧的支反力要小于外侧的支反力，且在半径不断增大的情况下，同一位置的内外侧支反力数值一般相同。

3.4 扭矩的变化分析

在所构建的模型基础上选择应用专业的计算软件能够知晓，曲率的不同变化将会使曲线桥的两端扭矩同时变化，具体的变化值如表1所示。

从表1中的数据我们可以看到，曲线桥梁半径增大则梁端的扭矩变化幅值也将会同时表现出较大的变化幅度。例如半径从60 m增加至100 m的情况下，扭矩也会减少3 242.17 kN·m;半径从100增加至200时，扭矩值也会同时减小1 909.69 kN·m。按照这一规律以此类推能够发现其中的规律：在扭矩不断减小的情况下半径却在不断增大，此时也就说明在曲线桥上所产生的扭矩逐渐减小。幅值变化情况则反映出在半径增大的情况下扭矩的减小幅度也同时在缩减，这一点在半径500 m至1 km的增加结果中能够较为明显的看到，其扭矩的幅度值仅仅只减小了272.65 kN·m。

由此可以总结出如下规律：若曲线桥所处的外部环境因素保持不变，半径增大扭矩反而会越来越小;半径达到500 m时，随着半径的不断增大扭矩的变化幅度也将会逐渐趋向于平稳。

3.5 钢筋预应力损失的深入分析

由于曲线桥的特殊性，使得在对其进行设计时若想对预应力进行分析具有较大的难度，主要原因是由于若有预应力的存在将同时会产生次应力，继而对钢筋布置情况产生较大的影响，这就需要在对曲线桥进行受力分析时应将关注重点放在预应力上。相关工作人员应在进行受力分析时与曲线桥的自身特点相结合，并联系模型对不同曲率条件下的曲线桥预应力的实时损失变化情况进行深入分析研究，具体情况如表2所示。计算后所获得的数据如图2所示。

若选择应用后张法所产生的预应力损失主要包括混凝土收缩变化、锚具变形、混凝土弹性压缩、钢筋与管道的摩擦以及钢筋回缩等。这些因素所对材料造成的影响与曲线桥的半径并没有过多联系，从对预应力的损失影响进行分析后能够看出钢筋与管道之间所存在的摩擦是导致预应力出现过多损失的主要原因。

从以上的数据能够分析出，一旦曲线桥的半径数据发生变化，伴随着半径的不断增大所产生的预应力损失也将会同时变小，一旦达到800 m这一标准后预应力的损失变化幅度也将会逐渐缩减;曲率半径不变的条件下由于桥面板宽度的特殊性，使得即使是同一截面的内侧、外侧以及中間部位也将会产生不同的预应力损失，整体呈现出内大于中大于外的趋势。但该种趋势变化伴随着曲线桥半径的不断增大也将会逐渐趋向于平缓。

3.6 总结

曲率半径减小将会使得内侧的支反力也会同时减小，而外侧的支反力却会同时增大，这一变化趋势在半径60 m～

500 m的范围内表现的最为明显;若在半径相同的条件下，一般来说内侧支反力要小于外侧，半径不断增大将会使得同一位置的内外侧支反力数值也会逐渐趋向于等同;若外部条件相同，曲线桥曲率半径的逐渐缩减将会使得其扭矩相应增大。达到500 m后扭矩的变化幅度将会逐渐趋向于平稳，从这一点中可以总结出应选择应用抗扭支座作为梁端支座;即使是在同一界面上不同位置的预应力损失也会存在差异，半径在800 m以上的情况下预应力损失变化幅度逐渐趋向于平稳。

4 结束语

综上所述，曲线桥是我国交通事业发展过程中的重要部分，作为设计人员应从多个角度对曲线桥的设计过程进行深入分析，包括支反力、预应力以及扭矩等。需要注意的是曲线桥梁出现弯扭耦合是常见现象，该种现象所产生的作用不能被忽视。考虑到曲线桥梁的复杂性，因此应对其受力进行分析时联系周围环境条件，以消除设计安全隐患。

参考文献：

[1]何中鹏.预应力混凝土曲线桥梁设计探析[J].交通世界，2019（32）：115-116.

[2]宋健.车桥耦合作用下曲线桥的动力响应分析[D].石家庄铁道大学，2018.