浅谈独柱支撑曲线梁桥的受力特点
时间：2020-12-13 08:04:34 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章简要分析了曲线梁桥的结构受力特点，以及 在设计中要注意的几个方面。
关键词：曲线梁桥；
结构；
扭矩；
扭转变形
中图分类号：U448.21 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)18—0097—02
1 概述
由于受地形、地物和占地面积的影响，立交匝道的设计往往受到多种因素限制：对于上部结 构而言，匝道有别于主干道，为实现道路的转向功能，匝道桥多为曲线梁桥；
对于下部结构 而言，为减少占用土地、改善下部结构布局、增加视野和桥形美观，墩柱多采用独柱支承方 式。1987年，在北京市东便门立交设计中，国内首次采用了独柱支承曲线连续箱型梁桥的结 构型式，由于曲线梁桥对城市道路线形有良好的适应能力，因此，近年来在现代化的公路及 城市道路立交中应用已非常普遍，尤其在立交匝道的设计中应用更广。
然而曲线梁桥的受力状态较为复杂，一些桥梁在施工中，预应力张拉后出现了主梁向外或向 内偏转而使支座脱空的现象，校正及修复的技术难度非常大，由此，对于独柱支承曲线梁桥 的设计，必须引起充分重视，应对其各受力阶段进行全面的整体的计算，并采用切实可行的 研究方法，确保结构的使用安全。
2 独柱支承曲线梁桥结构的受力特点
直桥的自重和预应力荷载是对称作用的，主梁并不产生扭矩和扭转变形；
但是在曲线梁桥中 ，由于主梁的平面弯曲使得下部结构墩柱的支承点不在同一条直线上，使得曲线梁桥的受力 状态与直桥有着很大差别，自重和预应力荷载作用所产生的扭矩和扭转变形构成了其特有的 受力特点：
2.1 自重对曲线梁桥内力影响
根据平衡设计原理，对直桥来说，当中支承位于对称中轴线时，其本身已经处于自身的平衡 状态，有能力抵抗不稳定的活荷载，而活载消失后主梁又恢复到其平衡状态；
而对于曲线梁 桥，情况就不同了，如果中支承位置仍在桥梁中线上，那么由于平面曲率的影响，对称中轴 线外侧的梁体自重大于内侧的梁体自重，此时虽然曲线梁桥本身处于平衡状态，但中轴线内 外两侧的自重差会使梁体产生向曲线外侧的扭矩，该扭矩在独柱支承下传递到梁端部造成端 部内外两侧支座反力分布严重不均，当出现支座负反力时，就会使支座脱空。
2.2 预应力钢束对曲线梁桥内力的影响
相对于主梁来说，预应力钢束的作用力是作为外力施加在主梁上，预应力钢束与曲线梁的相 互作用形成了一个空间的受力体系。钢束平面弯曲对主梁的作用力可简化为两种：一种是轴 向压力Ny，另一种是曲线形钢束对主梁的径向均布力Qy（图1）。
曲线梁桥的预应力钢束在平面弯曲的同时还沿梁高度方向有竖向弯曲，故钢束径向力的作用 点是沿梁高度方向变化的（图2）。位于截面形心以上与以下的钢束径向力产生的扭矩方 向是相反的。两者的扭矩之和构成了预应力钢束对曲线梁的整体扭转作用。当MT上＞ MT下时，主梁就向曲线内侧扭转，反之主梁则产生背离圆心方向的扭转。
2.3 曲线梁桥扭转的常见情况
桥梁的主梁都是以受弯为主的构件，预应力钢束应首先满足纵向弯矩的受力要求，对预应力 砼曲线梁而言，主梁截面形心以下的预应力钢束长度远大于位于主梁形心以上部分钢束的长 度，这使得预应力径向力产生的扭矩MT下＞MT上，所以预应力产生的总扭矩 是向曲线外侧 翻转的；
而对于预应力钢箱－砼组合曲线梁，因砼桥面板位于梁顶部，预应力钢束全部配置 在桥面板内，所有钢束重心均位于截面形心以上，预应力径向力产生的扭矩只有MT上，因此 预应力产生的总扭矩是向曲线内侧翻转的。
当结构本身处于较大扭矩作用，再遇到不利的活荷载时，这种变形就会加大，如不进行处理 ，结构的安全性也就很难得到保证了。
3 设计中应该注意的几个方面
综合以上受力特点，在独柱支承曲线梁桥结构设计中，若只采用横向分布等简化计算方法， 已不能满足设计要求，而必须对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下，结合自重、预应力 和汽车活载等荷载进行详细的受力分析，充分考虑其结构的空间受力特点才能得到安全可靠 的结构设计。
下面就以上所述的两种构成曲线梁扭转的主要因素提出设计阶段应考虑的几个方面：
3.1 调整中支承偏心以改善恒载的平衡条件
主梁在活载作用之前，产生扭转变形的因素主要有2个：①曲线梁的自重（包括铺装和护 栏），②预应力钢束径向力的作用。调整中支承的横向位置，使支承位置向与曲梁扭矩相 反的方向偏移一定的距离，以使曲线梁达到类似直梁的平衡状态不失为一种经济而又有效的 方法。
调整墩柱支承位置使主梁在自重和预应力荷载作用下的扭矩最小，将主梁调整到最佳平衡状 态，以保证梁端支座不脱空。
墩柱偏心的方向因曲线梁桥的结构形式而异：对于预应力砼曲线梁桥来说，预应力产生的扭 矩与自重扭矩方向都向曲线外侧（远离圆心方向）偏转，所以墩柱应向曲线外侧偏移；
对于 钢箱－砼组合梁来说，因为预应力扭矩向曲线内侧偏转，而恒载扭矩向外偏转，两者方向相 反，墩柱应向合成后的扭矩的反方向偏移，偏移值应按桥梁曲率、跨径和预应力钢束在主梁 内的布置通过空间结构计算确定。
3.2 调整预应力束波型以减小正负扭矩差值
预应力钢束任意一点的径向分布力公式为Qy=Py/R，所以钢束径向力与钢束张拉力和其平曲 线半径有关，可以看出曲线半径越小的桥梁，钢束产生的径向力就越大，但对配有大量预应 力钢束的大半径曲线梁桥，也不能忽视预应力的影响，然而预应力配束对于曲线梁桥来讲， 是一个复杂的空间受力体系，而不是简单的平面问题。
通过调整截面中性轴上、下的钢束长度，在满足跨中弯矩的同时，尽可能减小中性轴上、下 扭矩面积的差值，当MT下与MT上接近时，可以不再考虑扭矩影响，从而将空间 问题转化为平面问题。
4 设计中的一些个人体会
独柱支撑曲线梁桥在现代公路建设中越来越多的应用于立交设计中，尤其在城市立交中应用 更加广泛，通过总结在立交中普遍采用的平面曲线梁桥的设计计算经验，并结合实际工程中 出现的问题，对曲线梁桥的设计提出几点个人的认识：①对于小曲率曲线梁桥，可采用偏移支墩位置来减小扭矩影响。②对于大曲率曲线梁桥，应在设计阶段调束时就考虑使中性轴上、下的钢束包络面积尽量 接近，使扭矩效应降低到可以忽略的程度。③中支墩偏心值在一定范围内变化时，对于主梁扭矩值影响不大，只调整主梁扭矩而忽略 了主梁的扭转变形这一重要因素是不全面的，一根曲线梁虽然扭矩值满足设计要求，但是并 不一定达到了其真正的平衡状态，仍然会使主梁产生很大的扭转变形。④曲线梁桥在进行边墩盖梁和支座设计时，由于其横向各支座反力相差较大，所以对边墩 各支座反力应进行结构空间计算后确定，这样才能计算出反力的最不利值，同时避免边支座 产生负反力，才能满足设计要求。⑤在设计曲线形梁桥时，应对其在恒载加活载的最大扭转变形值加以控制。⑥在条件允许情况下，曲线梁桥的中支承应根据其平面曲率、跨径、墩柱截面和墩柱高度 及预应力钢束作用力的不同来合理地选用支承方式，如在矩形宽柱上设置双点支承或采用双 柱中墩，这种支承方式对主梁可提供较大的扭转约束，从而有效地提高主梁的横向抗扭性能 ，保证其横向稳定性。⑦采用独柱墩顶与梁固结的方式，墩柱可承担一部分主梁扭矩，对主梁的扭转变形有一定 约束。⑧曲线梁桥的设计在构造上也要有些特殊考虑：曲线箱梁桥的横隔板的设置要比相应的直桥有所加强，横隔板过少会使横截面的畸变引 起的畸变应力超过受弯正应力；
主梁腹板曲线内侧砼的压力可能引起腹板崩裂和钢束崩出主梁，必须在腹板内设置足够 数量的防崩钢筋；
桥宽较窄的曲线梁桥宜加大其箱体宽度以缩小悬臂宽度，从而增加主梁抗扭性能；
箱梁底板上下层横向筋、顶板上下层横向筋及腹板箍筋要相互搭接构成一个封闭的抗扭 矩形,使截面具有较好的抗扭能力。
［参考文献］
［1］ 吴西伦.弯梁桥设计［M］.北京:人民交通出版社,1990.
［2］ 叶见曙.结构设计原理［M］.北京:人民交通出版社,2000.
［3］ 姚玲森.桥梁工程(第二版)［M］.北京:人民交通出版社,2008.
