小半径钢筋混凝土弯箱梁桥设计浅析

王 希 超

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

0 引言

近年来随着我国社会经济的发展，各类型机动车保有量快速增长，交通运输压力与日俱增，国家对交通建设的投入日渐加大，高速公路、市政道路等公路基础设施建设进入快速发展期，另外随着人口向城市集聚，城市规模也在逐步扩大，随着城市高架桥建设的如火如荼，受制于城市用地紧张，桥梁展线较困难，采用弯桥可节约占地，适应性强，线形优美，且各个交通方向都可以实现交通转换，同时经济实用，在桥梁设计中应用较多，因此弯梁桥是桥梁工程中的一个重要的桥型。

采用整体断面形式的弯箱梁桥在现代城市高架桥中较为常见，小半径现浇箱梁结构应用日益广泛，但近年来出现了弯桥几起倾覆事故，造成巨大社会经济及人员损失，因此加强弯桥设计总结，保证结构安全是非常必要的。

1 项目概述

某市政立交工程B匝道桥，为十字交叉两主线之间连接匝道桥，受前后地形地物所限，匝道桥曲线半径50 m，设计时速40 km/h，曲线半径过小，设计方案采用4跨钢筋混凝土连续梁桥，桥宽9 m。跨径布置为4×20 m，平面布置详见图1，该联桥主梁基本处于小半径圆曲线上，上部结构采用箱形截面，采用单箱单室，桥面布置为0.5 m防撞墙+8 m行车道+0.5 m防撞墙，桥面铺装层为10 cm现浇混凝土层+9 cm沥青混凝土，梁高1.5 m，翼缘宽1.75 m，箱梁顶、底板厚25 cm，腹板厚50 cm，腹板渐变段长5 m，端横梁宽1.5 m，中横梁宽1.8 m，跨中设0.4 m厚横隔板，下部结构采用外形较美观的花瓶墩接承台、桩基础，花瓶墩厚度1.3 m，结构尺寸详见图2。

2 弯桥受力特性

弯桥相对直桥受力复杂，在荷载的作用下同时产生弯矩和扭矩，并且互相影响，产生弯扭耦合效应，引起弯桥扭矩主要有曲线内外侧弧差恒载、活载偏载布置、离心力及预应力产生，小半径弯箱梁桥由于曲率影响内外侧腹板长度有差异，箱梁桥外侧腹板的受力要比内侧腹板的受力更为不利，外侧弯矩、挠度较内侧大，扭矩的作用会造成内外梁应力的不均衡，通常会出现“内梁卸载，外梁超载”的情形。当扭矩较大时，由扭矩产生的翘曲作用会加大主梁的应力及挠度差值越大，在弯—扭耦合作用下，梁端可能发生翘曲，梁体有可能向曲线外侧爬移桥宽越大、半径越小弯桥效应越明显。

弹性弯梁桥计算理论以平截面假定为前提，即弯梁的横断面在变形后仍保持为平面，弯梁桥的各梁之间或在需要抗扭力的地方需设横梁，除设端、中横梁外，一般弯箱梁桥应设置跨中横隔板，尽量满足受力整体性，跨中横隔板间距一般取10 m左右,减少横截面畸变引起的畸变应力。

在扭矩作用下联端内侧支座支反力较小甚至出现脱空，需验算最不利工况下最小支反力，以防止支座脱空，另外弯桥抗倾覆计算是设计的重点，需保证抗倾覆安全系数满足规范要求。

3 模型计算

结构总体分析采用桥梁博士4.3计算，建立空间模型进行分析，桥梁平面、纵断均按实际情况模拟，考虑本桥桥宽9 m较窄，计算采用单梁模型计算，横梁处按7自由度单元计算，结构材料、尺寸、支座约束按照实际情况模拟。

一期恒载为各构件实际自重，二期恒载即桥面系荷载，主要包括混凝土铺装、沥青铺装及防撞墙；整体升降温度：升温25 ℃，降温-25 ℃；梯度温度根据沥青厚度按规范取值；基础不均匀沉降取5 mm。

活载按单向双车道，公路—Ⅰ级，横向按最不利偏载车道布置，最外侧行车道中心线距防撞墙内缘1.4 m，程序自动选取最不利工况进行分析，恒载由于曲线影响引起的偏心弯矩按照实际情况计算，按曲率计算内外腹板弧长差2.1 m，按混凝土自重计算箱梁扭转弯矩为25.9 kN/m；2号桥墩采用固定支座，其余墩台分别为单向及双向活动支座，采用径向布置支座。

本桥为钢筋混凝土箱梁，采用满堂支架施工，施工阶段步骤简单明确，施工阶段模拟主要分3个施工阶段，依次为满堂支架浇筑主梁施工、施工桥面系及成桥十年。

计算模型见图3。

4 支座脱空计算及处理措施

初始设计方案采用支座间距2.8 m计算，经计算联端内侧支座出现脱空，出现较大负反力详见表1，加大边支点间距至3.2 m进行试算，最小支反力明显改善但仍出现支座脱空。根据国内外弯桥设计经验总结，设置横向偏心可明显增大最小支反力，第3种计算模式支座间距维持3.2 m不变，向曲线外侧设置20 cm偏心，计算支座未脱空，最小支反力可达92 kN，考虑支反力安全储备较低，进一步增加横向偏心至30 cm，最小支反力提高至200 kN以上，横向偏心布置详见图4,通过不同计算模式计算结果分析，增加支座间距和预设横向偏心可较好解决支座脱空问题。

表1 标准组合最小支反力计算结果对比

在公路服务周期内，支座受车辆偏载作用有时会出现一定的负反力情况，尤其是难以预料超载车辆上桥，预设横向偏心受结构限制不宜做过大，在防止支座脱空处理措施上除加大支座间距、设置横向偏心外，还可以采用外伸端横梁或增加端横梁配重，外伸横梁可大幅度加大支座间距，较好解决支反力问题，但也受限于桥墩间距是否有空间扩展布置，桥墩空间受限时也可适当增加横梁宽度，增加支座恒载反力，提高支反力安全储备。

另外采用抗拉支座应对支座脱空，一般普通盆式支座仅能承受单向压力，抗拉性能差，小半径市政高架弯桥可选用抗拉球型钢支座，抗拉支座能够承受一定上拉力，作为防止支座脱空和抗倾覆的辅助措施，可进一步保证结构安全。

5 抗倾覆稳定系数计算及处理措施

桥梁倾覆为脆性破坏，危害性极大，运营车辆出现超载对桥梁安全构成较大威胁，国内出现的几起事故多为超载引起，甚至出现了多辆超载车辆同向偏载的极端工况，桥梁倾覆过程一般为单向受压支座脱离正常受压状态,多为桥台内侧支座脱空开始，其余支座渐次脱空，上部结构的支撑体系不再提供有效约束,上部结构扭转变形趋于发散,直至桥梁倾覆,支座/下部结构连带损坏。在JTG 3362—2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范颁布以前，抗倾覆设计未引起足够重视，安全要求也没有明确的规定，新混凝土规范中明确规定了抗倾覆计算方法及稳定系数要求不小于2.5，经验算支座间距3.2 m时抗倾覆系数并不满足规范要求，受空间限制桥墩间距已无法再加大，2号墩墩高接近10 m，有条件采用墩梁固结，出于安全考虑，2号中墩最终设计采用墩梁固结，固结墩不设偏心,其余桥墩仍采用支座并预设横向偏心30 cm，保证桥梁抗倾覆稳定性安全，避免桥梁出现桥梁倾覆脆性破坏事故。

2号墩采用墩梁固结后对桥梁上下部整体建模计算，主要计算结果见表2。

表2 模型主要计算结果

设计过程中通过对多个模型的反复计算对比分析，最终采用中墩墩梁固结，其余墩台采用双支座,尽量加大支座间距并预设横向偏心30 cm的设计方案，主梁及桥墩强度裂缝均满足规范要求，最小支反力控制在200 kN以上，采用墩梁固结也可避免出现桥梁倾覆的可能性。

6 结语

结合本桥设计分析总结，对于小半径钢筋混凝土弯箱梁桥，联端支座容易发生脱空现象，为避免支座脱空现象的发生，在工程设计中可采用桥墩设置横向偏心及增大支座间距、外伸横梁、增加横梁配重及设置抗拉支座等措施处理；另外弯桥抗倾覆稳定系数通常较低，给桥梁运营带来较大的安全隐患，抗倾覆计算是弯桥设计重要内容，必要时设置墩梁固结加以解决；在弯桥设计中需注意降低弯桥病害，改善受力性能，保证结构安全，根据具体情况合理设计。