淺談彎橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與受力分析(本篇未正式發(fā)表)

1、淺談彎橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與受力分析張杰 （1余姚市公路管理段，浙江 余姚 315400）摘要：在現(xiàn)今公路建設(shè)中，部分橋梁在布線時(shí)受平面線形的影響而位于平曲線內(nèi)。針對(duì)此情況，本文對(duì)彎橋設(shè)計(jì)中主要考慮的一些因素作出闡述，可供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行彎橋設(shè)計(jì)時(shí)，作為參考。1 概述交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，使國(guó)內(nèi)公路工程建設(shè)進(jìn)入黃金時(shí)代。公路等級(jí)不斷提高，在設(shè)計(jì)總體布局方面要求橋位確定、橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)服從路線線形標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。所以為了滿足布線時(shí)的平曲線形指標(biāo)，就會(huì)有部分橋梁在路線總體線形限制下處于曲線段，使橋梁結(jié)構(gòu)類型的選擇、結(jié)構(gòu)計(jì)算方面難度加大。同時(shí)從橋梁美觀學(xué)考慮，曲線橋梁在整體布置方面要求更高。因此曲線橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算就顯得尤為

2、重要。2 設(shè)計(jì)理論分析2.1非重力荷載下平面彎梁的內(nèi)力及內(nèi)力橫向分配 溫度變化，混凝土收縮 混凝土收縮可以按規(guī)范折算成溫度均勻下降來(lái)考慮，可引起彎梁橋在水平面內(nèi)的位移，這類位移屬于弧線段膨脹或縮短性質(zhì)的位移，它只涉及到曲率半徑的變化，而圓心角不發(fā)生改變。 同時(shí)溫度變化、混凝土收縮使彎梁橋產(chǎn)生的內(nèi)力，除水平彎矩My、軸向力Nz外，還有徑向的水平剪力Qx。 彎梁橋水平溫度力的特點(diǎn)及其與下部結(jié)構(gòu)的關(guān)系彎梁橋在溫度變化時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生水平內(nèi)力，特別對(duì)于橋越寬、半徑越小的彎橋，支座對(duì)水平位移的約束越大，水平溫度力亦越大，因此彎橋設(shè)計(jì)中必須考慮這些力。溫度變化使梁在支座上位移的數(shù)值很小，在設(shè)計(jì)彎橋支座時(shí)，不

3、要把它的橫橋向位移固定死，只要讓它發(fā)生很小一點(diǎn)橫向位移，就可大大減小支座及梁的溫度力。對(duì)于彎梁，即使順橋向布置了足夠多的自由滑動(dòng)支座，梁內(nèi)仍然可能會(huì)有軸向力，這種軸向力是各支座的徑向約束力在梁軸切線方向上的分力造成的。如果彎梁繞鉛垂豎軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位移在某個(gè)墩臺(tái)上被固定死，這個(gè)墩臺(tái)可能受到很大的水平轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。當(dāng)同一個(gè)墩臺(tái)上設(shè)置多個(gè)制動(dòng)支座時(shí)，將會(huì)發(fā)生此種情況，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意避免。 從以上分析可以得出要減小彎梁橋水平溫度力，我們可以采取以下主要措施：放松一部分墩臺(tái)支座的徑向約束；采用彈性水平約束支座；對(duì)于環(huán)形立交橋，可考慮將環(huán)道設(shè)計(jì)成連續(xù)的閉合圓環(huán)。 2.1.3太陽(yáng)照射、支座不均勻沉降2.1.4預(yù)加力

4、和混凝土徐變 此類力將引起切線方向的位移，此時(shí)，曲率半徑不發(fā)生改變，而圓心角卻發(fā)生改變。 2.2預(yù)偏心的問(wèn)題 孫廣華的觀點(diǎn) 如果曲線梁橋僅兩端具有較強(qiáng)的抗扭約束，而中間各墩是沒(méi)有抗扭約束的點(diǎn)鉸式支座，則可以將各中間支座預(yù)設(shè)偏心，即將點(diǎn)鉸式支座的中心沿半徑方向往曲線外側(cè)移動(dòng)一較小距離（通常在幾十厘米），從而大大降低梁端的內(nèi)扭矩。 在具有剛性抗扭約束的支座上設(shè)置偏心雖不能改善梁內(nèi)的扭矩，倘若橋墩與梁固結(jié)，且墩身較高較柔，預(yù)設(shè)偏心仍有改善橋梁內(nèi)力、改善橋墩受力的效果。 具有點(diǎn)鉸式中間支座的彎橋，如果對(duì)中間支座設(shè)置偏向梁的剪力中心線外側(cè)的適當(dāng)大小的偏心距，彎梁的內(nèi)扭矩包絡(luò)圖以及兩端橋臺(tái)受力仍然可以得到

5、改善。邵容光的觀點(diǎn)為了達(dá)到扭矩重分布的目的，可利用適當(dāng)?shù)念A(yù)偏心距及支點(diǎn)反力所產(chǎn)生的反扭矩以平衡一部分由外荷載產(chǎn)生的作用扭矩。 黃劍源、謝旭的觀點(diǎn)（城市高架橋的結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法） 在獨(dú)柱式點(diǎn)支承彎橋內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)偏心荷載產(chǎn)生的扭矩不能通過(guò)中間點(diǎn)鉸支承傳至基礎(chǔ)，而只能通過(guò)兩端橋臺(tái)的抗扭線性支承來(lái)傳遞。在此情況下，中支點(diǎn)的作用只是起到減小彎曲長(zhǎng)度的作用，上部結(jié)構(gòu)的全長(zhǎng)成為彎橋的受扭跨度。這對(duì)于大跨度彎橋，特別是大曲率彎橋會(huì)造成上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)大的扭矩，實(shí)際上控制了橋梁截面和剪力鋼筋的設(shè)計(jì)。為了減小此項(xiàng)扭矩的影響，比較有效的方法是通過(guò)在中間支承設(shè)置抗扭線形支承來(lái)縮短彎橋的受扭跨度，例如采用雙柱墩或Y

6、形墩等，但是，這樣會(huì)失去獨(dú)柱式點(diǎn)支承彎橋在結(jié)構(gòu)布局和美觀上的許多優(yōu)點(diǎn)，引起行車視野的遮擋。 2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析由于平面圓弧曲桿撓曲與扭轉(zhuǎn)的耦合，不但垂直于彎曲平面的豎向力可以產(chǎn)生彎矩和剪力等內(nèi)力，豎荷載對(duì)曲梁剪力中心線的偏心扭矩也可以產(chǎn)生這些內(nèi)力。所以，當(dāng)利用影響線求活荷載產(chǎn)生的最大、最小內(nèi)力（以及變形、支座受力等）時(shí)，需要兩條縱向影響線，一條是單位豎向集中力P=1產(chǎn)生的，一條是單位集中扭矩T=1產(chǎn)生的。但經(jīng)過(guò)理論與實(shí)踐證明：曲線梁橋的彎矩和剪力，主要是由荷載的豎向力效應(yīng)引起的，荷載的扭矩效應(yīng)所占比例很小。所以要計(jì)算活荷載產(chǎn)生的最大最小彎矩、最大最小剪力時(shí)，只要按P=1的影響線尋找最不利加載

7、位置就可以了。 為了求得曲線梁橋的最大、最小扭矩，應(yīng)當(dāng)按TzT影響線來(lái)決定活荷載的最不利位置。同樣的分析方法可以用于跨中位移、支座受力影響線，為了求得跨中的最大撓度、支座受到的最大豎向力Vs、支座受到的最大力矩Ms，應(yīng)按照P=1影響線確定活荷載位置。為了求得跨中最大扭轉(zhuǎn)角、支座受到最大力矩Ts ，應(yīng)按照T=1影響線確定活荷載位置。 k= （EI）（GId） 彎扭剛度比 對(duì)于曲線梁橋來(lái)講，k值越大，則由于曲率因素而導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)變形顯著增大。因此，對(duì)于彎梁橋而言，在滿足豎向變形的（抗彎剛度EI）的前提下，宜盡可能地減小EI值，增大GId值。因而低高度和箱形（封閉形）截面是合理的橫截面形式。3 總結(jié)彎

8、橋異以直線橋梁受力的主要因素為：圓心角（反映主梁的彎曲程度）、橋梁寬度與曲率半徑之比、彎扭剛度比、扇形慣性矩EI。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于以上因素綜合分析，以確保計(jì)算的精度。彎橋最主要的受力特點(diǎn)是梁截面在發(fā)生豎向彎曲時(shí)，由于曲率的影響，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使梁發(fā)生撓曲變形，即為“彎-扭”耦合作用。解決曲線梁彎扭耦合所帶來(lái)的抗扭問(wèn)題,除了考慮抗扭約束外,還可以從如下方面入手是通過(guò)偏心支承,利用主梁自身恒載調(diào)整主梁扭矩分布二是通過(guò)預(yù)應(yīng)力,合理布置調(diào)整主梁扭矩分布。實(shí)際設(shè)計(jì)中多用雙柱墩提供抗扭支承,而用獨(dú)柱墩通過(guò)預(yù)設(shè)支座偏心調(diào)整主梁扭距分布。這種經(jīng)濟(jì)、合理的措施在城市高架橋,特別是曲線匝道的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但獨(dú)柱墩在偏載作用下常常容易產(chǎn)生支座脫空及梁體傾斜等安全隱患，所以設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)此類結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行偏載條件下進(jìn)行空間有限元分析,以確保結(jié)構(gòu)安全，并在此基礎(chǔ)上采取必要的結(jié)構(gòu)措施。