曲线钢箱梁抗倾覆的结构及受力特点

箱梁的结构与受力特点（二）箱形截面的配筋箱形截面的预应力混凝土结构一般配有预应力钢筋和非预应力向普通钢筋。

1、纵向预应力钢筋：结构的主要受力钢筋，根据正负弯矩的需要一般布置在顶板和底板内。

这些预应力钢束部分上弯或下弯而锚于助板，以产生预剪力。

近年来，由于大吨位预应力束的采用，使在大跨径桥梁设计中，无需单纯为了布置众多的预应力束而增大顶板或底板面积，使结构设计简洁，而又便于施工。

2、横向预应力钢筋：当箱梁肋板间距厚的桥面板。

的上、下两层钢筋网间，锚固于悬臂板端。

3时，可布置竖向预应力钢筋，面桥梁都采用三向预应力。

4钢筋网。

必须指出，因此必须精心设计，做到既安全又经济。

第二节箱形梁的受力特点作用在箱形梁上的主要荷载是恒载与活载。

恒载一般是对称作用的，活载可以是对称作用，但更多的情况是偏心作用的，因此，作用于箱形梁的外力可综合表达为偏心荷载来进行结构分析；在偏心荷载作用下，箱形梁将产生纵向弯曲、扭转、畸变及横向挠曲四种基本变形状态。

详见图2-4。

1、纵向弯曲产生竖向变位w ，在横截面上起纵向正应力Mσ及剪应力M τ。

对于肋距不大的箱形梁，M σ按初等梁理论计算，当肋距较大时，会出现所谓“剪力滞效应”。

即翼板中的M σ分布不均匀，近肋翼板处产生应力高βα+= 刚性扭转横向挠曲图2-4 箱形梁在偏心荷载作用下的变形状态峰，而远肋翼板处则产生应力低谷，这称为“正剪力滞”；反之，如果近肋翼板处产生应力低谷，而远肋翼板处则产生应力高峰，则为“负剪力滞”。

对于肋距较大的宽箱梁，这种应力高峰可达相当大比例，必须引起重视。

2、刚性扭转刚性扭转即受扭时箱形的周边不变形。

扭转产生扭转角θ。

分自由扭转与约束扭转。

（1）自由扭转：箱形梁受扭时，截面各纤维的纵向变形是自由的，杆件端面虽出现凹凸，但纵向纵维无伸长缩短，能自由翘曲，因而不产生纵向正应力，只产生自由扭转剪应力K τ。

（2）约束扭转：受扭时纵向纤维变形不自由，受到拉伸或压缩，截面不能自由翘曲。

曲线梁桥的受力特点和分析方法摘要：由于在经济和审美上的优势，曲线梁桥被广泛应用于现代公路立交系统。

曲线梁的竖曲和扭转耦合，由于结构上的特点，相对于直梁桥而言，曲线梁的分析更为复杂。

本文对弯道梁桥的受力特点进行了介绍，并总结了分析弯道梁桥的有关理论。

关键词：曲线梁桥；弯扭耦合；支承体系；有限元法引言曲线梁桥是指主梁本身为弧形的弯曲桥梁。

由于其独特的线形，曲线梁桥突破了多种地形的限制，同时在高速公路、山地公路、城市桥梁等方面，由于其优美的曲线造型而得到了更快的发展。

曲线梁桥具有现实意义，发展前景非常看好，无论从几何角度、美学角度，还是从经济角度，都是如此。

1曲线桥梁受力特性1.1弯扭耦合作用由于受弯曲率的影响，当竖向弯曲时，曲线梁截面必然会产生扭转，而这种扭转又会导致梁的挠曲变形，这种挠曲变形被称为“弯扭耦合作用”。

对于弯道梁桥的设计，相对于直线型梁桥来说，要特别注意，因为弯道扭力耦合作用所产生的附加扭力，会使梁体结构产生较不利的受力条件，从而增加结构的挠曲变形。

值得注意的是，由于自重在使用荷载下占绝大多数，对于混凝土曲线箱梁桥而言，也会导致更明显的弯扭耦合。

由于弯道梁桥沿弯梁的线形布置支承不成直线，因此由于弯道外侧较重，导致桥体恒载重心相对于形心向外偏移。

曲线梁在自重的作用下，也会产生扭转和扭曲的变形，从而使曲线桥发生翻转，出现匍匐的现象，这就是曲线梁在自重的作用下产生的变形[1]。

1.2曲线梁内外侧受力不均匀曲线桥因弯曲和扭动耦合作用，变形大于同跨径的直线桥，且曲率半径越小、桥越宽，因此其简支曲线梁外缘的挠度比内缘大，这种变化趋势是显而易见的。

曲线梁桥体具有向外扭转的较大扭力、弯曲扭力耦合和偏载作用的可能。

扭转作用会越来越明显，曲率半径越小、跨度越大的曲线梁桥甚至会引起抗扭支座内侧支座产生空心现象，这种情况在抗扭转支座的内部支座上会产生空心现象，这种情况的发生曲线桥的支点反力与直线桥相比，有一种倾向，它的外侧会变大、内侧会变小，甚至在内侧产生负反力。

曲线梁桥的受力施工特点及设计方法分析摘要：介绍了曲线梁桥的力学特性，结构分析及应注意的几点问题，施工特性及设计方法。

关键词：曲线梁桥，结构，施工近年来,随着公路建设事业的快速发展,涉及到曲线梁的桥梁设计已经越来越多了,以往设计者希望通过调整路线方案,尽量避开这种结构形式,或由于曲线半径较大,采用以“直”代“曲”的形式,在桥梁上部(如翼缘、护栏等)进行曲线调整,以期达到与路线线形一致。

这些严格意义上说都不是曲线桥。

由于受原有地物或地形的限制,一些城市的立交桥梁和交叉工程的桥梁曲线半径比较小,桥墩基本上要设在指定位置,这种情况下只能考虑设计曲线梁桥。

1曲线梁桥的力学特性1.1曲线梁的受力情况曲线梁桥能很好地克服地形、地物的限制,可以让设计者较自由地发挥自己的想象,通过平顺、流畅的线条给人以美的享受。

但是曲线梁桥的受力比较复杂。

与直线梁相比,曲线梁的受力性能有如下特点: (1)轴向变形与平面内弯曲的耦合; (2)竖向挠曲与扭转的耦合; (3)它们与截面畸变的耦合。

其中最主要的是挠曲变形和扭转变形的耦合。

曲梁在竖向荷载和扭距作用下,都会同时产生弯距和扭距,并相互影响。

同时弯道内外侧支座反力不等,内外侧反力差引起较大的扭距,使梁截面处于“弯-扭”耦合作用状态,其截面主拉应力比相应的直梁桥大得多。

故在曲线梁桥中,应选用抗扭刚度较大的箱型截面形式。

在曲梁中,由于存在较大的扭矩,通常会出现“外梁超载,内梁卸载”的现象,这种现象在小半径的宽桥中特别明显。

另外,由于曲梁内外侧支座反力有时相差很大,当活载偏置时,内侧支座甚至会出现负反力,如果支座不能承受拉力,就会出现梁体与支座发生脱离的现象,通常称为“支座脱空”。

1.2下部桥梁墩台的受力情况由于内外侧支座反力不相等,使各墩柱所受垂直力出现较大差距。

当扭矩很大时,如果设置了拉压支座,有些墩柱甚至会出现拉力。

曲线梁桥下部结构墩顶水平力,除了与直桥一样,有制动力、温度力、地震力等以外,还因为弯梁曲率的存在,多了离心力和预应力张拉时产生的径向力。

２０２０年第０３期总第２６１期福㊀㊀建㊀㊀建㊀㊀筑ＦｕｊｉａｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＮｏ０３ ２０２０Ｖｏｌ ２６１大跨度曲线简支钢箱梁设计及受力分析叶坚波(福州市规划勘测设计研究总院㊀福建福州㊀３５０１０８)摘㊀要:城市跨线桥设计ꎬ随着路网密度的不断发展ꎬ难免出现在已修建的高速路或城市快速路上方修建跨越式桥梁ꎬ但该类桥梁的构建ꎬ又往往会受到桥下构造物的影响ꎮ为了减少对桥下跨越道路交通的影响ꎬ加快施工进度ꎬ大都倾向于采用自身重量小㊁高跨比小㊁结构轻盈且施工简便的钢箱梁桥ꎮ基此ꎬ以一座跨越城市快速路的５８ｍ简支钢箱梁桥为工程实例ꎬ采用Ｍｉｄａｓ/Ｃｉｖｉｌ软件建立单梁模型ꎬ并对其纵向㊁横向㊁刚度及抗倾覆验算分析ꎮ工程实践结果表明ꎬ钢箱梁可以较好适应道路线型ꎬ相较于预应力梁桥ꎬ高跨比小㊁受力简单ꎬ尤其适应小半径桥梁ꎮ关键词:钢箱梁ꎻ大跨度ꎻ小半径ꎻ有限元分析ꎻ抗倾覆中图分类号:ＴＵ９９７㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００４－６１３５(２０２０)０３－０１０６－０４ＤｅｓｉｇｎａｎｄｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｏｎｇｓｐａｎｃｕｒｖｅｄｓｉｍｐｌｙｓｕｐｐｏｒｔｅｄｓｔｅｅｌｂｏｘｇｉｒｄｅｒＹＥＪｉａｎｂｏ(ＦｕｚｈｏｕｐｌａｎｎｉｎｇｓｕｒｖｅｙｉｎｇｄｅｓｉｇｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＦｕｚｈｏｕ３５０１０８)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｏａｄｎｅｔｗｏｒｋｄｅｎｓｉｔｙꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｕｒｂａｎｏｖｅｒｐａｓｓｂｒｉｄｇｅｓｉｎｅｖｉｔａｂｌｙａｐｐｅａｒｓｉｎｔｈｅｂｕｉｌｔｅｘ￣ｐｒｅｓｓｗａｙｏｒｕｒｂａｎｅｘｐｒｅｓｓｗａｙꎬｂｕｔｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｕｃｈｂｒｉｄｇｅｓｉｓｏｆｔｅｎａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｔｈｅｂｒｉｄｇｅ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｒｏａｄｔｒａｆｆｉｃｕｎｄｅｒｔｈｅｂｒｉｄｇｅａｎｄｓｐｅｅｄｕｐｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓꎬｍｏｓｔｏｆｔｈｅｍｔｅｎｄｔｏａｄｏｐｔｔｈｅｓｔｅｅｌｂｏｘｇｉｒｄｅｒｂｒｉｄｇｅｗｉｔｈｓｍａｌｌｗｅｉｇｈｔꎬｓｍａｌｌｈｅｉｇｈｔｓｐａｎｒａｔｉｏꎬｌｉｇｈｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｉｍｐｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓꎬｔａｋｉｎｇａｓｉｍｐｌｅｓｔｅｅｌｂｏｘｇｉｒｄｅｒｂｒｉｄｇｅｏｆ５８ｍａｃｒｏｓｓｔｈｅｕｒｂａｎｅｘｐｒｅｓｓｗａｙａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬａｓｉｎｇｌｅｇｉｒｄｅｒｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＭＩＤＡＳ/ｃｉｖｉｌｓｏｆｔｗａｒｅꎬａｎｄｉｔｓｌｏｎｇｉｔｕｄｉ￣ｎａｌꎬｔｒａｎｓｖｅｒｓｅꎬｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄａｎｔｉｏｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇｃｈｅｃｋｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｅｅｌｂｏｘｇｉｒｄｅｒｃａｎａｄａｐｔｔｏｔｈｅｒｏａｄｌｉｎｅｂｅｔｔｅｒ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｇｉｒｄｅｒｂｒｉｄｇｅꎬｔｈｅｈｉｇｈｓｐａｎｒａｔｉｏｉｓｓｍａｌｌａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｓｓｉｍｐｌｅꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｔｈｅｓｍａｌｌｒａｄｉｕｓｂｒｉｄｇｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳｔｅｅｌｂｏｘｇｉｒｄｅｒꎻＬａｒｇｅｓｐａｎꎻＳｍａｌｌｒａｄｉｕｓꎻＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓꎻＡｎｔｉｏｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇ作者简介:叶坚波(１９８７.０６－㊀)ꎬ男ꎬ工程师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｊｉａｎｂｏ－ｙｅ＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍ收稿日期:２０１９－１１－２４０㊀引言在城市快速发展进程中ꎬ互通式立交在城市交通中起到了至关重要的作用ꎬ随着路网密度的不断发展ꎬ难免出现在已修建的城市快速路或高速路上方修建跨越式桥梁ꎮ由于受到桥下构造物的影响ꎬ如采用普通的预应力钢筋混凝土结构ꎬ需要搭设大型的临时支架系统ꎬ施工时间长ꎬ从而加大被交路的交通倒改难度和时间ꎬ影响被交路交通通行效率ꎬ且施工过程对周边环境影响较大ꎮ而钢箱梁则在工厂制造ꎬ现场安装ꎬ施工质量得到保证ꎬ对周边的环境影响小ꎮ同时其自身重量小ꎬ高跨比小ꎬ结构轻盈且施工简便ꎬ更加适合应用于城市桥梁中[１]ꎮ基于此ꎬ为对其他类似桥梁设计提供借鉴ꎬ本文拟以福州市北向第二通道工程为例ꎬ介绍其设计及受力分析ꎮ１㊀工程概述福州市北向第二通道工程园中枢纽互通位于福州东区水厂与上浦岭村之间ꎬ主要实现国道Ｇ１０４线㊁新店片区与福州市三环快速路及辅路的交通转换ꎬ其中三环路为既有快速通达ꎬ交通流量大ꎬ行车速度快ꎮ本次案例桥梁就位于园中互通Ｃ匝道ꎬＣ匝道上跨三环快速路ꎬ匝道宽９ｍꎬ为单车道匝道ꎮ相交处三环快速路宽４５ ６ｍꎬ相交处位于三环快速路上浦岭大桥桥台处ꎬ无法在中央分隔带设置永久性桥墩ꎬ故只能采用一跨跨越三环快速路ꎬ经综合比较后ꎬ上跨三环速Ｃ４~Ｃ５联采用１ｍ~５８ｍ简支钢箱梁ꎬ其与三环快速路交角为８０ʎꎬ位于Ｒ＝１５０ｍ圆曲线上ꎮ该联桥梁平面图如图１所示ꎮ２０２０年０３期总第２６１期叶坚波 大跨度曲线简支钢箱梁设计及受力分析 １０７㊀图１㊀Ｃ匝道平面图２㊀钢箱梁设计方案Ｃ４~Ｃ５联简支钢箱梁梁宽９ｍꎬ为单箱双室结构ꎬ由于处于道路超高段ꎬ横坡大ꎬ横断面采用梁底水平设置ꎬ横坡通过箱梁顶板结构设置ꎬ箱梁中心梁高２ ８ｍꎬ为跨径的１/２１ꎮ钢箱梁底板设计厚度为２８ｍｍꎬ底板厚度为２５ｍｍꎬ腹板跨中厚１４ｍｍꎬ支点处加厚为２０ｍｍꎬ加厚长度为４ｍꎮ钢箱梁上部两侧各设１５００宽挑臂ꎬ挑臂下翼缘板件截面为２００ｍｍˑ１２ｍｍꎬ挑臂处横隔板为１２ｍｍꎮ箱梁顶板下设置Ｔ形和板式加劲肋ꎻ底板上设Ｔ形加劲肋ꎮ腹板设板式加劲肋及竖向加劲肋ꎬ板式加劲肋截面１４０ｍｍˑ１２ｍｍꎻ腹板竖向加劲肋间距以道路中心线为基准ꎬ按２ｍ标准间距布置ꎮ横隔板间距以道路中心线为基准ꎬ按２ｍ标准间距布置横隔板ꎬ与腹板竖向加劲肋间距１ｍꎬ中间横隔板厚１４ｍｍꎮ端支点横梁的腹板厚度为２４ｍｍꎬ端支点支座间距为７ｍꎮ钢箱梁断面如图２~图３所示ꎮ图２㊀钢箱梁跨中断面图３㊀钢箱梁端支点断面３㊀钢箱梁计算模型进行钢梁整体强度㊁刚度验算分析时ꎬ采用Ｍｉ￣ｄａｓ/Ｃｉｖｉｌ软件ꎮ计算模型采用建立单梁模型ꎬ模拟施工阶段ꎬ边界条件按照实际设置ꎬ空间分析计算模型如图４所示ꎮ图４㊀计算模型桥梁荷载包括:①自重(包括横隔板㊁腹板竖向加劲肋等ꎬ转化为梁单元均布荷载ꎬ并考虑由钢箱梁内外侧质量不均匀分布而产生的扭矩)ꎻ②二期荷载(铺装及混凝土护栏)ꎻ③汽车荷载及冲击力(城－Ａ级ꎬ按两车道最不利布置)ꎻ④温度荷载(梯度温度及整体升降温)ꎻ⑤汽车离心力ꎻ⑥汽车制动力ꎻ⑦支座沉降(取１０ｍｍ)ꎮ４㊀钢箱梁计算分析４ １㊀钢梁正应力验算根据«公路钢结构桥梁设计规范»[２]第５ ３ １条的规定进行受弯构件抗弯承载能力验算ꎬ计算结果如图５~图６所示ꎮ图５㊀基本组合主梁上缘应力图(ＭＰａ)图６㊀基本组合主梁下缘应力图(ＭＰａ)㊀㊀该基本组合下主梁最大拉应力为１９０ＭＰａꎬ出现在跨中下缘附近ꎻ最大压应力为１６５Ｍｐａꎬ出现在跨中上缘附近ꎮ主梁应力计算时ꎬ考虑剪力滞和局部稳定影响ꎬ钢梁最大拉应力为２０９ＭＰａꎬ钢梁的最大压应力１０８㊀ 福㊀㊀建㊀㊀建㊀㊀筑２０２０年为１８１ ５ＭＰａꎬ钢材拉压应力容许值均为２７０ＭＰａꎬ均满足规范要求ꎮ４ ２㊀腹板剪应力验算在基本组合作用下对钢箱梁截面腹板剪应力进行验算ꎬ结果如图７所示ꎮ图７㊀基本组合主梁剪力图(ＭＰａ)从图７可以看出ꎬ基本组合下主梁剪应力最大值为９６ＭＰａꎬ满足规范要求ꎮ根据«公路钢结构桥梁设计规范»[２]５ ３ ３－１条的规定ꎬ腹板设置一道横向加劲肋和一道纵向加劲肋时ꎬ腹板最小厚度:ηｈｗ/２４０＝２６２７/２４０＝１１ｍｍꎬ该桥腹板厚度支点加厚段采用２０ｍｍꎬ跨中采用１４ｍｍꎬ均满足规范要求ꎮ４ ３㊀支点横梁验算纵向腹板将荷载传递至端横梁ꎬ横梁再传递至支座ꎬ横梁为横向受弯构件ꎬ按简支梁模拟ꎬ计算原理按照恒荷载纵向由腹板传导至横梁ꎬ以集中荷载的方式加载ꎻ活载按照单列车道产生的活载反力在横梁车道范围内自动布载ꎮ端支点横梁截面翼缘板考虑顶底板作用ꎬ翼缘宽度分别取２４倍顶底板板厚ꎮ经计算ꎬ端支点横梁下缘最大拉应力为１５１ＭＰａꎬ上缘最大压应力为１４０ＭＰａꎬ腹板最大剪应力为７６ＭＰａꎬ均满足规范要求ꎮ４ ４㊀挠度验算及预拱度计算根据«公路钢结构桥梁设计规范»[２]第４ ２ ３条规定ꎬ验算汽车荷载作用下的挠度ꎮ汽车荷载作用下的竖向位移图如图８所示ꎮ图８㊀汽车荷载下最小竖向挠度(ＭＰａ)由图８可见ꎬ活载最大挠度绝对值为４２ｍｍꎬ为跨度５８ｍ的１/１３６０ꎬ规范容许值为１/５００ꎬ满足规范要求ꎮ根据«公路钢结构桥梁设计规范»[２]第４ ２ ４条规定ꎬ主梁预拱度设置大小为恒载标准值加１/２车道荷载频遇值产生的挠度ꎬ频遇值系数为１ ０ꎮ主梁挠度如图９所示ꎮ图９㊀结构自重标准值＋１/２车道荷载频遇值产生的挠度(ｍｍ)由图９可知ꎬ跨中预拱度取跨中挠度的最大值１５６ｍｍꎬ其它位置处按抛物线设置ꎮ４ ５㊀抗倾覆验算钢箱梁自重轻ꎬ恒载反力较混凝土小ꎬ支座在最不利荷载下有脱空可能ꎮ该桥跨径大ꎬ平曲线半径小ꎬ曲线梁在扭矩与竖向荷载的共同作用下ꎬ弯扭耦合效应明显ꎬ在弯扭共同作用下ꎬ当车道荷载偏置布置时ꎬ弯桥内侧支座极有可能出现脱空ꎬ抗倾覆问题不容忽视[４]ꎮ小半径桥梁ꎬ由于曲线内外侧质量分布影响ꎬ桥梁内侧支座恒载反力较外侧小ꎬ当半径一定时ꎬ跨径越大这种支座反力分配不均现象越明显ꎬ需要通过采取一些措施来减轻这种现象[３]ꎮ该桥为简支梁桥ꎬ仅有两端支座提供抗扭效应ꎬ因此采取以下两种措施:(１)尽量拉大两端支座的支座间距ꎬ即在支座反力一定的情况下贡献更大的抗扭效应ꎮ(２)梁端采用无收缩混凝土压重ꎬ加大恒载作用下内侧支座反力ꎬ避免内侧支座产生脱空ꎮ因此ꎬ在总体设计上通过以上两种措施ꎬ避免倾覆的发生ꎮ进行抗倾覆验算时ꎬ在曲线外侧布置车道ꎬ根据该桥横向宽度ꎬ分别按曲线外侧布置１个车道与２个车道ꎬ根据支座反力影响线布载ꎬ取失效支座所对应荷载最不利布置情况下各支座的并发反力进行抗倾覆验算ꎮ验算结果详见表１ꎬ有效支座平面如图１０所示ꎮ图１０㊀有效支座平面示意图根据«公路钢结构桥梁设计规范»[２]第４ ２ ２条规定ꎬ在持久状况下整体式截面的简支梁其结构体系应保持不变且作用效应应满足抗倾覆要求:(１)作用基本组合下ꎬ受压支座不能发生支座脱空ꎬ应一直处于受压状态ꎻ(２)恒载产生的稳定效应/活载产生的失稳效应ȡ２ ５ꎮ２０２０年０３期总第２６１期叶坚波 大跨度曲线简支钢箱梁设计及受力分析 １０９㊀表１㊀抗倾覆验算表项目支座编号１－１１－２２－１２－２支座间距ｌｉ(ｍ)７０７０支座竖向力(ｋＮ)ＲＧＫｉ(永久作用标准值效应)１７２３４５７７１７９８４６５０失效支座对应最不利汽车荷载的标准值效应ＲＱＫｉꎬ１１－２４４１０１５－２２３１１４５ＲＱＫｉꎬ２１－２２３１１４６－２４３１０１４支座反力验算１ ０ＲＧＫｉ＋１ ４ＲＱＫｉꎬ１１１３８１５９９８１４８６６２５３１ ０ＲＧＫｉ＋１ ４ＲＱＫｉꎬ２１１４１１６１８１１４５８６０７０结论满足要求稳定系数验算稳定效应ＲＧＫｉｌｉ(ｋＮ ｍ)１２０６１０１２５８６０失稳效应(ｋＮ ｍ)ＲＱＫｉꎬ１１ｌｉ－１７０８０－１５６１０ＲＱＫｉꎬ２１ｌｉ－１５６１０－１７０１０稳定系数ðＲＧＫｉｌｉ/ðＲＱＫｉꎬ１１ｌｉ７ ５４ðＲＧＫｉｌｉ/ðＲＱＫｉꎬ２１ｌｉ７ ５６结论满足要求㊀㊀由验算结果可见ꎬ该桥通过拉开梁端支座间距和设置梁端混凝土压重两种措施ꎬ梁端支座均不产生脱空ꎬ抗倾覆稳定系数最小值为７ ５４ꎬ均满足规范要求ꎮ５㊀结论(１)根据承载能力极限状态下对钢箱梁的纵向及横向验算结果表明ꎬ桥梁结构顶底板及腹板厚度均满足要求ꎬ支点横隔板厚度满足要求ꎮ(２)根据在正常使用极限状态下对结构挠度及预拱度进行验算ꎬ结果表明桥梁结构刚度满足要求ꎮ(３)小半径桥梁ꎬ由于曲线内外侧质量分布影响ꎬ内外侧支座恒载反力不均ꎬ且由于简支钢箱梁自重轻ꎬ抗扭支座少ꎬ梁端支座更容易产生脱空现象ꎬ从而导致倾覆ꎮ对此ꎬ可通过加大梁端支座间距ꎬ加强抗扭效应并设置一定的梁端压重ꎬ可避免支座脱空和主梁倾覆情况发生ꎮ(４)在城市跨线桥中ꎬ钢箱梁可以较好地适应道路线型ꎬ相较于预应力混凝土梁桥ꎬ钢箱梁桥更适应于小半径桥梁ꎬ高跨比小ꎬ受力简单ꎬ但在设计过程中ꎬ应特别注意曲线梁桥所产生的弯扭耦合效应ꎬ设计时应加强抗倾覆验算ꎬ避免倾覆的发生ꎮ参考文献[１]㊀吴冲.现代钢桥:上[Ｍ].北京:人民交通出版社ꎬ２００６. [２]㊀ＪＴＧＤ６４－２０１５公路钢结构桥梁设计规范[Ｓ].北京:人民交通出版社ꎬ２０１５.[３]㊀熊诚ꎬ汪斌ꎬ梁庆学.城市高架连续钢箱梁计算分析[Ｊ].２０１８(３).[４]㊀谭伟.钢箱梁桥抗倾覆稳定性分析[Ｊ].城市道桥与防洪ꎬ２０００(１):１５－１８.。

S型曲线钢箱梁桥空间受力特性研究随着社会经济和交通科技的快速发展，曲线钢箱梁桥由于其结构自重轻、建筑高度小、受力性能好、制作精度高、施工周期短等优点，广泛应用于高速铁路、高速公路、城市快速路及其他各等级桥梁工程之中[1]，发展前景广阔。

然而曲梁自身的力学特性较直梁更为复杂，且钢箱梁又为典型的空间薄壁构件，在弯扭耦合作用下，曲线连续钢箱梁即使由恒载引起的应力分布也较为复杂，实际工程中便曾出现对其受力情况分析不全面而引发的的坍塌事故。

S型曲线连续钢箱梁桥则存在更为复杂的弯扭耦合效应，并因此引发较大的截面扭转、支座反力不均等现象，其纵横向剪力滞效应也更为显著[2]。

而既有桥梁剪力滞研究多集中在混凝土箱梁方面，基于实体单元分析曲线连续钢箱梁剪力滞效应的文献相对较少[3]，同时也缺乏其剪力滞系数沿全桥纵向的变化规律研究。

此外，虽然也可采用正交异性板法[4]、比拟杆法[5]、能量变分法[6-8]等对其力学行为进行分析，但计算较为复杂，不便于工程应用。

故有必要对该类桥梁的实际空间受力特性进行仿真分析，对其应力分布及剪力滞效应有更清楚的认识，以确定出结构在最不利工况之下的最不利部位，从而指导该类桥梁的设计和施工。

本文针对曲线梁桥的空间效应和剪力滞问题展开研究，以S型曲线钢箱梁桥作为分析对象，首先根据有限元理论，采用Midas考虑翘曲变形的七自由度梁单元和Ansys软件的Shell181壳单元，对一座四跨S型曲线连续钢箱梁桥进行全桥空间精细化仿真建模，以减少传统简化计算时因自由扭转假设、边界条件假设及横向尺寸效应假设等所引起的失真，从而对其空间受力特性进行更为可靠的分析，研究其在不同荷载作用之下的结构位移、截面应力、支座反力及自振特性，并找出结构的最不利部位及其应力分布规律。

为进一步研究其剪力滞效应，本文基于Ansys计算结果对该桥各关键截面顶板的剪力滞效应展开分析，得出其剪力滞系数的纵横向变化规律，为今后类似桥梁的设计提供参考。

小半径曲线梁桥受力特性及设计对策作者：杨世荣来源：《中国新技术新产品》2010年第12期摘要:本文通过对曲线梁桥的内力和病害的分析,讨论了曲线梁桥的设计与直线梁桥的设计的区别,重点探讨小半径曲线梁桥的设计要点以及避免病害产生的设计对策。

关键词:小半径;曲线桥梁;直线桥梁;病害1 内力、变形特征和病害对于直线桥,在主梁自重和预应力钢束作用下,由于荷载在横向是对称的,对主梁并不产生扭矩和扭转变形,仅活荷载的偏心会产生扭矩和扭转变形。

但是在曲线梁桥中,自重、预应力和活荷载作用所产生的扭矩和扭转变形是不容忽视的。

预应力钢束径向力产生最大扭矩值可达纵向最大弯矩值的50%以上。

另外,由于桥梁下部结构往往采用独柱支承方式,抗扭能力较弱,所以须在桥梁两端部设置抗扭支承,以增加桥梁的整体稳定性。

主梁的扭矩造成端部支座横向受力严重不均,甚至使一侧支座出现负反力。

由于曲线梁桥与直线桥内力和变形的差别,造成曲线梁桥一些独特的病害:1.1 曲线梁桥在温度变化的长期作用下,因两端的约束较大,其中间部分会在平面内缓慢向外侧移动和转动。

升温时,会出现朝圆心向外的侧向位移Ai,降温时出现朝圆心向内的侧向位移△。

,如果支座位置和形式设置不合理,在降温时,由于重力及支座的摩擦约束,使A1>A2。

如此年复一年,整个梁体不断向外移动,移动到一定量后,其后果是不言而喻的。

1.2 预应力混凝土曲线箱梁在张拉纵向力筋时,腹板中产生横向分力,易使腹板混凝土裂缝,其原因是产生径向水平压力使钢筋混凝土腹板超载(其实在预应力钢束附近基本是素混凝土),超载可能造成混凝土破坏,严重者将使混凝土崩裂,预应力钢束拉直,并从腹板内溢出。

1.3 支座布置、墩柱形式、支撑横向间距布置的不合理,造成支座过早的破坏,甚至引起墩柱开裂。

其原因,是梁体在自重、预应力以及外部荷载的作用下引起的扭转和翘曲造成的。

2 直、曲梁桥的计算的差别及分界深圳市华强立交A匝道第三联在投入使用两年后曲线梁桥突然向外移动和向外侧翻转,曲线梁体径向最大位移为47cm,切向最大位移为16cm,扭转达2.42。

曲线钢箱梁桥优化设计分析连续钢箱梁由于具备跨越能力大、施工速度快、可焊性好、容易更换以及施工技术相对比较成熟等突出优势，经常被用于城市立交的匝道橋设计之中。

但曲线梁桥的设计分析也较为复杂，近年来曲线梁桥事故时有发生。

本文从设计角度出发，介绍了曲线桥梁常见病害及其主要防治措施，针对工程实例探讨钢箱梁桥的受力特点及设计要点。

标签：曲线；钢箱梁桥；设计要点引言：随着我国城市化进程的不断加快，汽车保有量在不断增加，而为了有效保障交通的通畅，减轻车辆拥堵所带来的城市病，在很多大中型城市中都出现了不同规模的立交桥。

由于城市用地紧张，地下管线错综复杂，经常会出现小半径曲线钢箱梁桥。

曲线梁桥其分析设计过程与一般的桥梁设计相比，具有更大的难度，一旦设计不合理，就有可能在运营阶段带来严重的后果，因此，对该种形式的桥梁设计要点进行探讨具有重要的意义。

一、曲线钢箱梁桥的相关概述（一）曲线钢箱梁的常见病害及其成因第一，梁体向曲线外侧径向侧移。

曲线梁在汽车荷载的离心力和制动力长期反复作用下容易产生主梁向曲线外侧及汽车制动力方向的水平错位。

一般匝道桥都是单向行驶，所以这种作用力总是朝着固定方向，严重时可使主梁滑落。

造成这种情况的主要原因是支座布置不合理，全联支承体系抗扭能力及水平向抗滑动能力弱。

第二，梁体曲线内侧支座脱空或反力很小。

由于弯扭耦合效应，曲线结构会受到很大的扭转作用，同时由于钢梁自重较小，由恒载产生的预压力不大，导致端支座承担的扭矩大，当端横梁宽度不够、支座间距较小时就会出现支座脱空的现象。

第三，梁体整体倾覆。

钢箱梁较轻，活载占总比重相对于混凝土梁较大，在极限偏载行车工况下可能会出现梁体整体倾覆的现象。

现实中经常出现重车列队偏载在一侧行驶或停车的情况，往往设计时无法预料和验算。

第四，曲线梁内外侧梁长不同导致受力差异大、变形不协调，容易导致顶底板翘曲变形。

钢梁比混凝土梁受温度等影响更加明显。

通常，半径越小、桥宽越宽的曲线梁更容易因内外侧腹板梁长不同，引起变形差异并出现顶底板变形不协调而导致的翘曲变形，甚至导致焊缝的破坏、梁体受损。

例析曲线梁桥抗倾覆问题1 引言曲线梁桥能很好地克服地形、地物的限制，可以让设计者较自由地发挥自己的想象，通过平顺、流畅的线条给人以美的享受。

但是曲线梁桥的受力比较复杂。

在曲梁中，由于存在较大的扭矩，通常会出现“外梁超载，内梁卸载”的现象，这种现象在小半径的宽桥中特别明显。

另外，由于曲梁内外侧支座反力有时相差很大，当活载偏置时，内侧支座甚至会出现负反力，如果支座不能承受拉力，就会出现梁体与支座发生脱离的现象，通常称为“支座脱空”。

近年来，发生过多起桥梁整体倒塌事故，如2007年10月23日，三辆拉运钢板的奔驰半挂牵引重型货车和一辆轿车由南向北行驶至包头市民族东路高架桥上时，桥面突然发生倾斜，导致两辆载重汽车和一辆轿车随路面倾斜滑到桥底（如图1）。

2009年7月15日津晋高速港塘互通立交匝道桥倒塌事故（如上图2）。

其直接原因是：在单车道的A匝道桥上，为避让前方逆行车辆，3辆严重超载车辆密集停置并偏离行车道，车辆外轮距离右侧护栏内缘小于1米，从而形成巨大偏载，导致桥梁梁体向右侧倾斜而引起桥梁倒塌。

发生此类事故的桥梁大多有以下共同点：（1）整体式箱形梁桥；（2）直线桥或平曲线半径较大；（3）重载车靠行进方向右侧边缘行驶或停留；（4）倒塌桥梁大多是长桥，采用了独柱墩单支点设计，端横梁处双支座间距较小；（5）破坏形式表现为整体倾斜倒塌。

此类事故的接连发生也引起桥梁专业人士对曲线梁桥抗倾覆问题的讨论和深思。

2 曲线梁桥理论分析方法在进行曲线梁桥的空间分析时，将其分解为横桥向和纵桥向两个方向来进行处理，这样可以简化工作量。

横桥向的求解主要是采用横向分布方法求出横向分布系数，主要采用以下三种方法：（1）梁格理论梁格理论假定曲线梁桥结构中的主梁与横隔梁是处于弹性支撑关系的格构上，利用结点的挠度和扭角关系找出结力点，然后求出横向分布系数[4]。

（2）梁系理论将曲线梁桥沿纵向划分成各个主梁单元，横隔梁的刚度均匀的分布在桥面板上，主梁之间的连接用赘余力表示，然后用力法求解。

曲线桥抗倾覆稳定性及墩柱承载能力分析摘要：以某曲线独柱墩连续梁桥为例，采用公路-Ⅰ级中的标准车辆密布荷载作用的方式，根据独柱墩桥横向失稳的判别准则和计算方法，对独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座加固方案下的支座脱空情况、抗倾覆稳定性、墩柱承载能力进行了验算分析。

验算结果表明其抗倾覆稳定性能满足要求，但墩柱承载能力不能满足要求，需进行加固处理。

关键词：曲线桥、支座脱空、抗倾覆、承载能力1、引言曲线独柱墩连续箱梁桥以其造型美观、结构轻巧、适应强性等独特优势在高速公路互通立交匝道桥中广泛应用，近年来，由于交通量的增大、车辆超载、桥梁劣化等不利因素，因超重车辆偏载导致的独柱墩桥梁倾覆倒塌事故时有发生，造成人员伤亡和重大财产损失。

对在役曲线独柱墩连续箱梁桥进行横向倾覆稳定性验算及改造加固的任务迫在眉睫。

本文以某曲线独柱墩连续箱梁为例，对其在独柱墩上增设钢盖梁，并在钢盖梁的两侧各增加1个支座的加固方案，通过建立空间有限元模型计算分析了支座脱空、主梁倾覆稳定性、墩柱正截面承载能力情况，为该桥梁加固方案实施的可行性及注意事项提供了参考依据。

2、计算分析内容2.1 支座计算支座脱空可认为是横向倾覆过程的开始，剩余未脱空支座位于一条直线时则可以认为是横向失稳的临界状态，在支座脱空计算中考虑《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）公路-Ⅰ级中的标准车辆密布荷载（含冲击力）标准值和成桥内力（自重、二期恒载、预应力、收缩徐变）标准值作用下支座反力是否为负（拉力）。

在作用标准值组合（汽车荷载考虑冲击作用）下，单向受压支座不应处于脱空状态。

2.2 主梁抗倾覆验算根据查阅的相关资料和《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》（征求意见稿），独柱墩桥梁抗倾覆验算的汽车荷载按照现行规范公路-Ⅰ级中的标准车辆荷载并采用密布形式验算，安全系数不小于3。

抗倾覆轴选取原则为抗倾覆轴外侧无支座。

对于曲线桥倾覆轴线确定方法为，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线内侧时，倾覆轴线为桥台外侧支座连线，当跨中桥墩全部支座位于桥台外侧支座连线外侧时，倾覆轴线取为跨中支座连线或一桥台外侧支座和跨中桥墩连线。

[1]别为2-16m/2-16m/3-16m 简支小箱梁桥，三座桥梁目近年来，我国桥梁倾覆倒塌事故时有发生，前运营状况良好，本次改建进行拼宽设计，拼宽宽严重危及人民群众的生命财产安全。

经调查分析，该类倾覆事故桥梁上部一般为多跨连续梁结构，下度4.73~5.0m 。

三座桥梁平面半径分别为180m 、部为单支撑或单支撑与双支撑的组合体系。

相对而500m 、∞（直线）。

言，简支箱梁比连续梁跨径更大，支撑更少，弯桥目前，色曲河已规划为珍稀鱼类保护区，根据[2]《珍稀鱼类水产种质资源保护区影响专题论证》结扭转作用更加明显，抗倾覆稳定性更差，特别是论，本次改建不允许加宽桥梁在水中设置桥墩。

综桥梁宽度窄、支座间距小的简支曲线箱梁桥在偶然合考虑环保、投资、施工等因素，最终确定该三座偏心荷载作用下发生倾覆的可能性极大。

桥梁分别采用1-32m/1-32m/1-48m 简支箱梁拼宽设为了研究简支箱梁桥抗倾覆稳定性，本文以四川省色达县某国道加宽改建项目为依托，以其中计，一跨跨越水域。

本文以二号桥1-32m 简支箱梁作为抗倾覆设计研究对象，桥梁平面布置示意图如1~32m 预应力混凝土箱梁桥作为研究对象。

建立各种平面半径、支座间距、支座预偏心的空间有限元图1所示；二号桥拼宽箱梁采用直腹板式单箱单室[3]截面，梁高2.0m ，底板宽3.0m ，悬臂长1.0m ，顶模型，模拟支座最小反力随平面半径、支座间[4]板宽5.0m ，箱梁右侧护栏带宽0.5m ，在梁端各设置距、支座预偏心的变化规律。

通过箱梁曲线内外2个支座，如图2所示。

侧支座受力状态、反力大小及变动趋势，反应桥梁的抗倾覆稳定性，总结简支箱梁桥抗倾覆设计要点及改善措施。

1　分析项目1.1　项目概况四川省色达县某国道加宽改建项目路线全长27.7km ，采用二级公路技术标准，设计速度60km/h ，路基宽度12m （既有老路宽8.5m ）。

该项目老路共有3座桥梁跨越色曲河，老桥孔跨布置分公路简支箱梁桥抗倾覆设计分析【摘　要】本文以某加宽改建项目中1~32m 预应力混凝土简支箱梁桥作为分析对象，建立各种平面半径、支座间距、支座预偏心的空间有限元模型，模拟支座最小反力相应的变化规律。

大跨径简支钢箱梁弯桥抗倾覆性能研究1.身份证号： 342425********52542.2.身份证号： 412801********2615【摘要】近年来，随着我国的现代工程经济不断发展和进步，我国的公路施工技术也在不断提升，本文结合简支钢箱梁弯桥为研究内容，探讨了该工程的设计要点，并探讨倾覆破坏的机理，并结合有限元模型验算方法来验证其倾覆性能。

研究结果表示，当汽车行驶在弯桥外侧时候后会增加桥梁倾覆的风险，通过增加支座附近的承重可以提升倾覆安全性。

【关键词】：大跨径简支钢箱梁；弯桥抗倾覆；性能研究城市的高架立交桥设计需要考虑跨越下桥梁的质量要求，同时也要保证地面道路的布线质量。

当桥梁跨越时候若不能落蹲，就需要采用较大跨径的简支梁桥。

整体而言，钢箱梁的特点在于造型美观，整体质量轻，可跨越范围广，可实现预制、拼接施工，可减少施工工期，适合城市使用。

因为简支钢箱梁弯桥整体自重较小，跨径越大，整个桥梁的弯矩效果就越明显，容易出现倾覆问题。

此外，我国的城市道路和公路道路的施工周期长，桥梁倾覆事件也时有发生，针对此，针对大跨径的简支钢箱梁弯桥，设计人员需要加强倾覆设计，保证使用质量。

1.案例分析被本次研究选取一座城市内的60米长简支钢箱梁弯桥为研究内容，在确定跨境和桥宽的基础上，分析钢箱梁弯桥的倾覆破坏机理，进而分析支座间距、承重因素、重车偏心荷载等为研究内容。

2.倾覆破坏机理研究目前，桥梁的倾覆破问题主要受到两方面影响。

第一是结构倾覆力矩大于活荷载，进而导致倾覆力矩变大，整个支座也不会出现脱空的问题，而且支座会承受较大的水平荷载，墩柱会因刚度和承载能力下降出现上部结构变形；第二是结构的活荷载大于的力矩大于抗倾覆力矩让制作出现明显的脱空问题，而整个桥梁的梁体结构在竖向弹性的影响下出现变形倾覆，因为整体设计都十分注重结构的刚度和强度，这种问题直接导致严重偏心超荷载出现严重的倾覆破坏问题。

这种问题影响较大而且较为常见，也是本文研究的主要方向。