小半径新型桥梁的设计及受力行为分析

冯琳琳

（广东和立土木工程有限公司， 广东 广州 510000）

1 引言

在山区道路建设过程中， 因其地势较为曲折陡峭， 故多采用小半径曲线桥梁进行连接。 当前多以支架现浇箱梁作为小半径曲线桥， 但因山区地势条件往往过于崎岖， 多数情况下难以满足高墩施工所需的条件。 因此在进行高墩施工时多以装配式梁桥为主。 对于T 型梁而言， 在进行曲线桥各段连续梁的建设时多采用以直代曲的方式进行， 但该种情况仅适合在大半径曲线桥下使用，针对小半径曲线桥往往难以实现目标要求。 鉴于上述问题以及现有山区小半径曲线桥常见病害，本文将引入组合I 型梁的概念， 以某立交桥为研究对象， 分析研究其构造设计。

2 小半径曲线桥存在的问题

2.1 支架现浇箱梁存在的问题

在小半径曲线桥梁建设过程中， 因箱型梁具有较好的抗弯扭性能而得到广泛的应用。 当前多以支架现浇的方式进行箱梁施工， 以支架和模板搭设的方式进行混凝土的现浇［1］。 但该种施工方法仅适用于平坦的地形， 并且所得的桥面一般具有较低的标高。 而对于山区环境下建设的这种高墩并且地势较为陡峭的公路而言， 所需搭设的支架往往过高， 极易造成支架歪曲现象， 施工难度及风险往往较高。

2.2 T 梁存在的问题

当前多以装配式梁桥作为高墩施工首选的形式。 在小半径曲线桥梁中， T 型梁桥存在有内外弧度差， 梁体在曲率半径的影响下往往表现出不同的内外长度。 在实际施工时， T 型梁在小半径曲线梁桥中应用时常以平曲线的方式进行预制，并且为满足线型要求往往将其悬臂段进行加宽处理［2-3］。 在小半径曲线桥中， 因其具有较大的转角， 因此其往往做成简支梁的形式。 据调查， T型梁在小半径曲线桥中往往具有106m 的最小半径。 而随着不断增加的角度， 在小半径曲线桥中往往无法应用T 型梁。 并且多数情况下， 因较宽的翼缘板， 小半径曲线桥在架设时会出现重心偏离梁体垂直方向的情况， 导致其存在倾覆的风险。

3 组合I 型梁设计计算理论

基于上述问题， 本文将引入如图1 所示的组合I 型梁桥。 作为装配式梁桥的一种， 组合I 型梁整体上保持结构不变， 仅在构造设计过程中以I 型梁的形式替代T 型预制梁， 从而将其划分为两部分结构［4］。 因以整体式现浇作为桥面板的施工方式， 故使得纵向湿接缝有所减少， 具有较好的整体性。 此外， 其顶部以波纹钢折板的方式进行焊接， 能够有效的避免高墩施工过程中所面临的模板问题， 并能提供较好的现浇平台， 而在实际运营过程中， 波纹钢折板又能够作为受力结构分担底部受力。 在组合I 型梁中， 其曲线路线主要以现浇桥面板的方式进行适应， 并能够做成连续梁形式， 便于施工。

图1 组合I 梁横断面图

3.1 梁端铺装层在汽车活载作用下的受力分析

简支梁桥面连续构件在忽略内部钢筋网片的前提下可按照如下示意图 （见图2） 计算其梁部受力。

图2 简支梁桥面连续构造计算示意图

图2 中各符号代表： C—相邻支座中心间距；S1和S2—相邻两跨简支梁段间距和桥面计算长度； h1和h2—混凝土梁高和桥面连续段厚度； L1和L2—左侧梁长和右侧梁长；

当桥面有汽车驶入时， 主梁会在活载作用下出现下挠趋势， 从而出现变形情况。 具体表现如图3 所示。

图3 桥面连续段在汽车荷载作用下的变形示意图

图3 中各符号代表： φb和φc分别代表B 端和C 端转角位移； Δb和Δc分别代表AB 段支座竖向位移和CD 段支座竖向位移。

基于 《公路桥涵通用设计规范》， 在相邻两跨简支梁上进行车辆加载时的受力形式如图4 所示。

图4 车辆荷载下加载示意图

当板梁上作用有荷载时， 板梁将产生相应的最大弯矩。 根据图乘法原理， 利用弯矩图进行图承即可求取荷载作用下的转角位移值。 在此基础上考虑主梁的抗弯刚度等条件， 以线形叠加的方式考虑全部荷载作用下的情况， 即可取得AB 段的φb值。

在单独荷载作用下， B 端处将会产生Piai/L21的支反力， 结合所选用支座的弹性模量及其尺寸即可求取AB 段的Δb值。 同理可求取相应的φc和值Δc。

B 端和C 端处S2段的水平位移Δbx和Δcx以及竖向变位Δbx和Δcx可通过桥面连续层和梁端转动变形的相容条件进行求取。 而根据现有的S2段的铺装层材料弹性模量Es及截面模量Is， 可通过初参数法的方式求取B 端和C 端的弯矩及剪力，具体如下：2

而其拉应力则可通过桥面连续构造两侧的水平位移进行推导得到：

3.2 主梁挠曲变形时梁段铺装层纵向形变及应力

梁体挠曲变形如图5 所示， 考虑结构在荷载作用下因梁体变形而出现的内应力时， 没有对梁体自身变形过程中， 桥面连续段在汽车荷载以及桥面铺装层共同作用下而导致的梁体变形所产生的轴向应力， 因此本文将在此对对其进行分析。

图5 梁体挠曲变形示意图

挠度控制以 《公路桥涵通用设计规范》 中所规定的跨中最大挠度小于L/600 的要求进行。 以近似挠曲线函数y=A sin（πx/L） 进行计算分析，取A=L/600， 可得到W=6.80×10-6L。

假定跨中区域铺装层不出现水平位移， 则可得支座处的桥面连续构造水平变形为：

Wz=3.43×106（L左+L右）

假定梁端连续构造长S2， 则其应力表达为：

综上分析， 可知桥面连续构造在活载， 二期恒载以及梁体转动变形下的最大应力为：

4 组合I 型梁设计要点

4.1 I 型梁的设计

I 型梁依然以马蹄形作为其底部结构。 因多在高墩曲线段位置设置I 型梁， 此处有着较大的内外弧度差异。 在设计时， 选用的是高度为1.8m的预制梁， 0.25m 高度的顶板桥面， 按照25-30m 的标准跨径进行结构设计。 该梁体在预制时采用的是后张法， 有着70cm 的顶板宽度， 并且有预埋筋设置在顶部， 以便于后续施工的开展。I 型梁跨中处尺寸如图6 所示。 因I 型梁的翼缘板不需要进行加宽， 故其具有较轻的自重， 在进行桥体的架设时不会出现倾覆问题。 相比于传统的T 型梁而言， 不仅使其跨径能力有所加强， 更在一定程度上降低了桥面接缝的使用频率， 并且使其吊装施工更加简便， 能够在较大程度上降低工程费用。

图6 I 型梁横断面示意图

因高速公路有着较大的汽车活载作用， 故在设计时需重点考虑预应力钢筋的布置。 在该I 型梁中所采用的预应力钢绞线为φs15.2mm 的高强低松弛类型， 具有1860mpa 的抗拉强度标准值。在腹板位置处以曲线的形式布置预应力钢筋， 并进行分批张拉。 在梁内设置预埋波纹管， 波纹管内孔道摩阻系数为0.3， 局部偏差影响系数为0.0065。 具体布置如图7 所示。

图7 30mI 型梁预应力布置图

4.2 波纹钢折板的设计

以波纹钢折板作为其底板， 在该波纹钢折板中具有10cm 长的波峰和波谷， 5cm 宽以及10.5cm 高度的腹板， 波纹钢折板采用的是Q234NH 材料， 以模板压制的方式制成。 以波纹状作为其底板形式， 能够在较大程度上降低结构自重， 并使其刚度有所提高， 波折形状的底板的面外刚度较大， 即使在极限状态下也不会有剪切屈服出现［5］。 此外， 波纹状的底板能够有效的预防混凝土纵向位移的出现。 在具体施工时， 将其作为模板使用能够起到承担桥面板混凝土湿重的作用。

在施工时， 可通过工厂预制的方式制作标准长度的波纹钢折板， 并将其以分段的方式运输至现场进行施工。 在波峰或波谷位置将其分成两半， 在具体施工时再将其焊接成整体。 以分段的方式开展施工， 较有利于施工平台的形成。 在焊接施工完成之后需开展钢筋绑扎工作， 主要以波谷和腹板位置处焊接架立钢筋， 并将尺寸为L50X5 的角钢在封锚端进行焊接， 以便于确保悬臂端具有足够的稳定性。

在焊接完之后需开展混凝土的现浇工作， 基于波纹钢折板的特点， 在施工平台形成之后， 施工人员即可依据设计路线在其上开展混凝土的浇筑工作， 按照中间到两边梁肋的方式进行混凝土的对称浇筑。

图8 白色为曲线线性示意图

5 结语

本文主要研究了组合I 型梁的设计及受力行为， 得出以下结论：

（1） 作为梁板分离式结构， 相比于传统T 型梁， 组合I 型梁无需进行翼缘板加宽处理， 故其能够较好的避免架桥时带来的倾覆影响； 以波纹钢折板作为桥面板底板能够较好的避免施工时模板的安装和拆除问题， 以便于后续钢混组合结构的形成。

（2） 该种桥型具有不连续的梁体以及连续的桥面板， 使其在小半径曲线桥中能够较好的按照桥面板连续梁的形式存在。

（3） 根据其结构设计特点， 对其力学性能开展了研究， 主要分析了桥面连续结构的受力。