小半径连续弯桥设计

王令

【摘 要】弯梁箱梁自身受力特征为弯扭耦合，复杂受力特性增大了设计和施工的难度。文章以兰州至海口高速公路广西钦州至北海段改扩建工程中一座匝道桥的一联（4×25 m，R=230 m）为实例，总结该桥梁的设计要点，并阐述小半径连续弯桥设计中的注意事项，以期为同类型桥梁设计提供参考。

【关键词】小半径连续弯桥;弯剪扭;张拉顺序

【中图分类号】U448.42 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）08-0064-02

我国基建进入高速发展阶段，市政桥梁、铁路桥梁和高速互通桥梁的应用越来越广泛。国家发展战略提出实施城镇化进程。城镇化进程必然带动城市人口的聚集与增加，城市交通量日益增大，用地空间狭小。现阶段，城市以中心向四周环形网状不断发展。桥梁是城市道路中的一个地域性的地标，能提升城市的形象，带动各行各业的发展。弯梁桥的形状可随曲线变化而变化，受占地影响小，因此弯桥梁具有独特的作用和魅力。小半径连续弯桥为整个桥梁系统的重要组成部分，特别是在大跨径弯桥中发挥了明显的优势作用。但该类桥梁因弯扭耦合作用改变桥梁受力的特点，使其存在薄弱点，例如倾覆、支座脱空和爬移等问题。结合目前桥梁的修建要求，不仅对桥梁结构强度要求严格，而且需兼顾桥梁的美观性。因此，本文以实际工程为例，对小半径连续弯桥的抗扭稳定性、预应力和温度效应等方面进行介绍，特别是对该类桥梁设计中的注意事项和相应问题的解决办法进行了详细阐述。

1 桥梁简介

兰州至海口高速公路广西钦州至北海段项目的一座匝道桥中一联4×25 m现浇预应力混凝土箱梁，桥宽14.75 m，单箱三室，梁高1.6 m，路线曲线半径R=230 m。本联所有桥墩均采用双支座。运用有限元软件2019 midas/civil建立有限元分析模型分析，并结合相关规范选用计算方法（如图1所示）。

2 梁弯桥的力学特性

弯梁桥与直桥最大的区别是弯梁桥存在弯扭耦合效应。实际工程中的弯在梁梁体是曲线形，受力作用下，梁截面产生弯曲和扭转两种变形并叠加起来相互影响，导致内外腹板梁体应力不均匀。若小半径桥梁宽越宽，则曲线外侧腹板比曲线内侧腹板越长，在弯扭耦合作用下，常常出现内侧支座脱空、张拉钢束后外侧腹板承载不足、内侧压应力超标等现象。因此，小半径连续弯桥与直桥设计最大的不同的就是要考虑弯扭耦合作用，即如何平衡内外侧梁体受力不均匀是设计时要综合考虑的重点。

3 设计要点

3.1 支座的设计

弯梁桥设计中要考虑对立与统一的关系，即要求设置约束防止滑移和侧倾，但设置过多约束不利于桥梁的伸缩[1]。前文提到弯桥存在弯扭耦合作用，导致内外梁体受力不均，因此支座的反力也是内外不均匀的。这时，截面的重心与形心不在一处，就会出现一对力偶作用、内侧支座支反力可能出现负数，造成支座脱空现象。因此，设置支座的合理位置尤为重要。最简便的方式是设置支座偏心，可以有效地改变桥梁抗倾覆轴线的位置，增大桥梁倾覆稳定系数，使各支座受力均匀且可防止支座脱空现象。本项目经过调整支座往外偏移20 cm，即在9.6 m宽的底板中设计2个支座，内侧支座布置距腹板邊线1.2 m，而外侧支座布置距腹板边线1 m。计算结果见表1和表2。

从上述两个竖向支反力表中可以得出：支座不设置偏心时，内外侧支反力相差较大，但是满足规范要求。当设置支座偏心20 cm时，内外侧竖向支反力大小比较均匀，抗倾覆稳定达到最佳状态。

3.2 预应力布置

在设计弯桥时，钢束布置对整桥的受力相对直线桥要敏感得多，因此是设计的重点和难点。首先弯桥的受力有自身的特点，弯梁本身左右侧重量不一致，加上偏心荷载的作用，导致曲线内外侧腹板应力不均匀。

在布置钢束时，弯桥钢束的摩阻损失相对直桥大，应尽可能地减少钢束的张拉长度。如果钢束设置不当，则在钢束曲线张拉后易引起爬移、支座脱空等现象，这是在设计中需要注意和提防的问题。

小半径连续弯桥设计中应合理布置预应力，并注意张拉特点。针对以上问题，可以采取如下措施：调整施工顺序。该梁桥的施工顺序是先外侧后内侧，即先对张拉曲线外侧腹板钢束进行施工，再对内侧腹板钢束进行施工[2]。？譺？訛控制张拉长度。弯桥采用逐孔张拉的施工方法进行施工，每孔设置一道施工缝，可有效减少钢束的张拉长度，并保证钢束的有效应力[3]。控制应力。在纵向钢束张拉控制应力不同的状况下，腹板内应力也会发生改变[4]。在设置支座适当偏心的情况下，分别设置内外侧纵向钢束控制应力均为75%与内外侧钢束控制应力不一致的情况，得出以下结论：一是内外侧钢束控制应力一致时，本联箱梁腹板应力满足设计规范，但是最外侧左右腹板应力相差较大，特别时截面小钢束多时，外侧左右腹板应力相差很明显。二是当曲线外侧钢束控制应力在75%，内侧钢束应力控制在65%时或内侧钢束减少钢束用量时，内外侧腹板应力接近，改善了整个截面的应力状态。本项目考虑到施工便捷和工期，经综合考虑后采取内外侧钢束控制应力为75%，验算腹板斜截面各点应力包络图如图2所示。

按照《桥规》第6.3.1-8条中的公式σtp≤0.5ftk验算：σtp=0.737 MPa（拉应力）≤0.5ftk=1.325 MPa（拉应力），该工程梁腹板截面应力满足规范要求。

根据工程自身特点，小跨径弯桥为了施工简便和缩短工期，也可采取内外侧钢束控制应力一致。

3.3 桥宽的设计

在设计弯梁桥时梁体宽度是影响桥梁受力的主要因素。桥面越宽，汽车在偏载作用下，梁体所受到的弯扭越大。工程中桥面宽由道路设计决定，因此在工程实际设计中可考虑将宽箱梁分成几个小箱梁先现浇，然后再把翼缘板连接起来形成整桥。

3.4 桥墩的设计

通常，独住墩抗倾覆差，导致整桥侧翻事故频发，因此设计后期基本采用双柱或多柱形式，以增强抗倾覆力，但是会影响视觉效果[5]。小半径曲线桥伴横坡超高及纵坡较大，因此为防止梁体滑移，可采取一联中一个墩中一根柱子与梁体固结。墩高直接影响柱子及桩基截面的大小，合理的截面设计使得桥梁的受力更均匀及尺寸比例协调有美感。桥墩沉降量直接影响梁体内力重的分配，通常设计中控制在1 cm范围。

3.5 温度效应

温度叠加的积累效应。如何释放温度避免温度叠加产生的积累效应？设计中，箱梁应该留有排气孔，箱梁内外温度可以及时传递，这样内外温差不大;选用桥铺装时可选用沥青铺装;后期养护时，需经常检查梁体是否能自由伸缩而不被抵死。

4 小结

小半径曲线弯梁桥的整体性比装配式箱梁好且美观，能适应曲线条变化，比同等跨径直线桥受力复杂且桥梁验算项目较多，特别是在弯剪扭同时伴随出现时。本文总结如下设计要点。小半径弯桥配束时，预应力径向力较大，因此必须防止腹板崩裂;箱梁翘曲设计工期短、时间紧、任务重，建议在选取截面尺寸时，可以适当加高梁高，适当减少纵向预应力束配置，便于施工。曲线外侧钢束可以比曲线内侧钢束用量多。钢束张拉顺序为先张拉曲线外侧钢束，再张拉曲线内侧钢束。适当使支座偏心设置，可以增大梁体抗倾覆稳定系数。当路线曲线半径小于60 m时，建议采用现浇普通钢筋混凝土箱梁，跨径控制在20 m以内。

参 考 文 献

[1]唐宗富，聂玉江，杨昀.超小半径弯连续刚构桥设计及预应力张拉顺序研究[J].黑龙江交通科技，2014（8）：119-123.

[2]陈常明，卫红蕊，等.浅析小半径连续弯桥设计[J].桥隧工程，2013（2）：102-104.

[3]李军歌，侯中学.浅谈小半径曲线连续弯箱梁桥的设计[J].江西建材，2014（8）：201-202.

[4]胡丰玲.小半径连续弯桥设计探讨[J].工程与建设，2012（3）：366-411.

[5]刘二铭.既有独柱墩连续弯桥抗倾覆稳定及其改善措施研究[D].重庆：重庆交通大学，2016.