结合忻阜高速谈曲线梁桥设计

北　方　交　通　２０１４年第６期　文章编号：１６７３—６０５２（２０１４）０６—００１４—０３　中图分类号：Ｕ４４２．５　３　文献标识码：Ｂ　

结合忻阜高速谈曲线梁桥设计　娄小勇　（山西省交通规划勘察设计院太原市０３００１２）　

摘要：结合工程实例，详细分析了曲线梁桥的受力、建模、结构设计要点，总结出曲线梁桥区别直线梁桥的特　点，指导实际设计过程，有针对性与可操作性，避免工程人员因认识不足而造成工程事故。　关键词：梁格建模；横向爬移；防崩钢筋　

忻州至阜平高速公路忻州一长城岭段是山西通　向东部京津唐环渤海湾经济区的关键通道，是交通　部确定的典型示范工程和科技示范工程项目。秦城　枢纽互通立交桥位于忻州市秦城村北约８００ｍ处，　为忻州一阜平高速公路起点。该枢纽连接已建成的　原太高速公路和拟建的忻保高速公路，是忻阜高速　公路的重点工程。其中，Ｇ匝道桥为枢纽互通中连　接主线桥和原太高速公路的匝道桥，采用三联　（２６．５＋４５＋２６．５）ｍ＋（３×２７．７５）ｍ＋（２７．７５＋３２　＋２×２７．７５）ｍ预应力混凝土箱梁结构。桥梁位于　半径２４０ｍ以及１６０ｍ圆曲线和缓和曲线上，具备曲　线梁桥的各种特点。通过建立全桥的单梁模型与梁　格模型及实体模型，分析对比，对全桥进行详细的验　算，并在构造上进行设置，较好地完成了结构设计。　通过运营三年的效果来看，结构分析合理，构造措施　得当。　ｌ　曲线梁桥特点分析　１．１力学分析　曲线梁桥设计时，对弯扭耦合受力性能要有充　分认识。由于弯扭耦合引起弯梁桥的变形比同跨径　直线桥大，且外边缘挠度大于内边缘挠度，随曲率　半径减小、桥梁宽度增大，这种趋势越明显。曲线　梁桥在对称荷载作用下也会产生扭转，使外边梁加　载，内边梁卸载，梁内外应力产生差别。曲线梁桥　支点反力会发生外侧梁变大、内侧梁变小的情况，　梁内侧支座可能会产生脱空情况。在半径变小，恒　载减小时，设计上必须控制支点负反力，通常在构造　上进行相应措施处理，设拉压支座，以防止外侧超　载。曲线梁桥在结构设计时，对其进行整体空间计　算是很有必要的，只用横向偏载分布简化计算已经　不能满足工程设计要求。下部墩顶所受水平力除了　温度、混凝土收缩徐变等内力与地震力之外，必须　考虑离心力，同时要考虑预应力产生的径向力。对　抗扭刚度比较大的闭口箱型截面桥，当曲线扭转跨　径中心角小于１２。时，可以用曲线长相同跨径直线　桥对结构进行计算分析；当这个角度大于１２。但小　于３０。时，纵向的弯矩和剪力按相同跨径直线桥进　行分析，反力与扭矩要进行空间的分析；当这个角度　大于３０。后，所有内力计算必须进行空间分析。　１．２变形分析　曲线梁桥除了受力之外，变形性能也有其独特　之处。因为外边梁比内边梁长，在温度力和收缩徐　变影响下，外边梁变形会比内边梁大；又因为横隔　梁对纵梁的限位与约束，这种变形会转化为横向变　形。在结构横向约束不强时，可能发生横向爬移。　设计中必须认识和估计这种爬移对梁体的影响。如　果向内侧爬移，会对梁端伸缩缝产生影响，造成桥梁　伸缩缝的相关病害；如果向外侧爬移，会对结构的　安全造成较大影响。这个横向位移不断地积累变　大，严重时就会导致结构破坏。所以曲线梁桥，更应　该注意横向的约束限制，以防止结构发生爬移破坏。　２　曲线梁桥建模方法及要点　２．１建模方法　对于曲线梁桥，可以把它简化为单根曲梁、平面　梁格计算，也可以用实体单元、板单元计算。对单根　曲梁模型，优点是建模简单，缺点是几乎所有类型的　２０１４年第６期　娄小勇：结合忻阜高速谈曲线梁桥设计　一ｌ５一　梁单元都有刚性截面假定，因而不能考虑桥梁横截　面的畸变，总体精度较低。对梁格法曲梁模型，优点　是可以直接输出各主梁的内力，便于利用规范进行　强度验算，整体精度能满足设计要求。缺点是它对　原结构进行了面目全非的简化，大量几何参数要预　先计算准备，如果由计算者手工准备，不仅工作量　大，而且人为偏差较难避免。对于实体单元、板单元　模型，优点是与实际模型最接近，不需要计算横截面　的形心、剪力中心、翼板有效宽度，截面的畸变、翘曲　自动考虑；缺点是输出的是梁横截面上若干点的应　力，不能直接用于强度计算；不能直接考虑预应力问　（ａ）梁格模型　通过对比可以发现与实体模型结果相比较，在　自重荷载作用下，单梁模型计算的多支座反力结果　失真，而梁格模型结果较合理。曲线梁桥的单梁模　型无法正确计算横向支座的反力、荷载的横向分布　以及内力集中效应，而利用梁格法模型可以非常方　便地解决以上问题。　２．２建模要点　曲线梁桥梁格法建模的关键在于采用合理的梁　格划分方式和正确的等效梁格刚度。用等效梁格代　替桥梁上部结构，将分散在板、梁每一区段内的弯曲　刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内，实际　结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内，横向刚度　集中于横向梁格内。理想的刚度等效原则是：当原　型实际结构和对应的等效梁格承受相同的荷载时，　两者的挠曲将是恒等的，并且每一梁格内的弯矩、剪　力和扭矩等于该梁格所代表的实际结构部分的内　力。由于实际结构和梁格体系在结构特性上的差　异，这种等效只是近似的，但对一般的设计，梁格法　的计算精度是足够的。　梁格法作为桥梁空间分析的一种简化方法，虽　图１　题。下面通过建立单梁、梁格、实体模型，说明梁格　模型计算结果的合理性。不同模型计算输出结果如　表１所列，梁格与实体模型如图１所示。　表１不同模型结果对比表　

（ｂ）实体模型　然较比板壳、实体有限元方法建模简单、求解方便，　但是前期的截面特性计算量大，且对于新手来讲容　易出错，非常耗时。实际设计过程中，可以采用　Ｍｉｄａｓ软件的建模助手功能，较快地完成曲线梁桥　的梁格建模。　３　曲线梁桥设计要点总结　在了解曲线梁桥的受力性能与建模方法之后，　有必要将具体的设计要点和难点进行总结，指导实　际桥梁设计。　３．１结构设计一般要求　（１）结构整体内力、应力、反力及变形分析验　算。必须应用弯、剪、扭各对应值进行截面强度、配　筋验算，墩柱的弯、剪、扭受力状态也不可忽视。有　无负反力、最小反力是否符合要求、支座是否滑移。　判断支座是否滑移时，从安全考虑应不计滑板支座　摩阻力。结构变形与计算模式是否一致，必要时需　修正计算模型重新计算。　（２）检查结构整体各部位位移是否合理。内容　包括：支座处位移是否满足要求，支座剪切变形满足　规范要求；由于主梁扭转致使支座偏转，其偏转值必　北　方　交　通　２０１４年第６期　须符合要求；各处位移是否与抗震设施有矛盾；为伸　缩缝形式选择提供数据，伸缩缝应能满足三维变形　的需要，曲线梁桥伸缩缝选取型号时应留有适当余　量；支座变形是否要改变设计模型。　（３）结构局部分析是否满足要求。　①箱型截面曲线梁桥应进行箱梁横断面受力分　析：按一般结构进行箱梁横断面计算，应重点考虑预　应力钢筋在顶、底板处的垂直力及腹板处预应力、收　缩徐变径向力的作用，此外还应进行箍筋受力验算　并增设防崩钢筋；当为钢一混凝土联合梁结构时，剪　力钉应考虑顶板预应力及顶板混凝土收缩作用的影　响，验算时应选取固定支座处截面按单位宽度计算。　②曲线梁桥的盖梁设计，必须考虑主梁产生最　大扭矩时反力的不均衡影响，按弯、剪、扭结构设计。　③Ｔ形截面曲线梁桥，应验算梁肋处预应力径　向力产生的梁肋与板之间的主拉应力。　④曲线梁桥的圆形墩柱应按空间合成内力配　筋，矩形墩柱除按两个方向分别配筋外，还应进行合　成方向验算。　３．２构造要求　构造上的措施是对整体计算分析的完善与补　充，是设计的重要组成部分，通过实际设计总结，曲　线梁桥的构造要求如下：　（１）曲线梁桥纵向预应力钢筋的配置原则应尽　可能使预应力钢筋的水平合力作用点连线与梁的轴　线相吻合。　（２）箱形截面曲线梁桥在支点附近必须加厚顶　板、底板、梁肋，以适应曲梁扭转的需要。　（３）曲线梁桥必须设置强大的横梁，中横梁的　设置有利于减少预应力径向力对腹板及翼缘板之间　的拉应力。　（４）箱形截面钢一混凝土联合曲线梁桥的箱内　横隔板间距应适当加密，以防止钢梁发生翘曲变形，　并可根据情况适当增加斜撑，以免发生比弯曲正应　力大的翘曲正应力。　（５）当曲线梁桥需要设置拉力支座时，应保证　曲线梁发生变形时拉力支座不得限制水平变形或与　计算模型发生矛盾。　（６）预应力曲线梁桥，由于预加力引起的径向　力作用，腹板箍筋应予加强，同时增设防崩钢筋。　４结语　曲线梁桥在受力和变形方面有其独特之处，设　计人员只要认识其特点，有针对性地进行设计，在直　线梁桥设计基础上进行总结，补充完善，把握重点与　难点，并配以细致的空间梁格计算，就能设计出满足　工程需要的桥梁，避免不必要的工程事故。　参考文献　［１］Ｅ．Ｃ．汉勃利．桥梁上部构造性能［Ｍ］．　『２］　邵容光，夏淦．混凝土弯粱桥『Ｍ１．　

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｃｕｒｖｅｄ　Ｇｉｒｄｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｘｉｎｆｕ　ＬＯＵ　Ｘｉａｏ一　ｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｃｕｒｖｅｄ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｕｒｖｅｄ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ，ｇｕｉｄｅ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｐｅｒｔｉｎｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　ｔｏ　ｈａｖｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｂｅａｍ　ｇｒｉｌｌａｇｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｃｒｏｓｓｗｉｓｅ　ｃｒｅｅｐｉｎｇ；Ａｎｔｉ—ｃｏｌｌａｐｓｅ　ｒｅｂａｒ