曲线梁桥的受力施工特点及设计方法分析

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。 　　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。墩顶水平力的分配非常复杂。在求温度零点时，曲线梁桥不能象直桥一样，只考虑一个方向力的平衡，而必须考虑两个方向的平衡；各墩顶处支座的类型和位置不一致，部分支座可能已处于临界滑移状态，其余支座还未达到临界状态；各支座的约束方向以及各墩柱不在同一平面内，使得水平力求解非常困难。 　　2、曲线梁桥的结构分析 　　2.1上部结构分析 　　2.1.1结构力学方法 　　这种方法沿用杆系系统的结构力学方法。首先将弯梁视为一根曲杆，把抗扭支座以赘余扭矩代替，然后根据变形协调条件求解未知力。这种方法较简单，比较适用于分析简支弯梁和等截面且跨内为圆弧的窄桥。 　　2.1.2梁格法 　　梁格法是目前最常用的分析弯梁桥的方法。梁格法实质是用一个等效的梁格来代替桥梁上部结构，是一种以梁为基本单元的有限元法。这种方法概念明确，容易理解和使用，也比较容易操作，计算速度也比较快。现有的计算曲线梁梁桥软件，如同济大学开发的“桥梁博士”和广州阿安毕公司开发的“3DBSA”，都采用了梁格法。 　　2.1.3空间有限元法 　　空间有限元法是最有效的分析方法。这种方法常采用体单元和壳单元来模拟结构，能计算任意形状的复杂结构，特别地，它能针对结构的局部作精确分析，这是上述两种计算方法无法做到的。对于一些特殊的曲线梁桥，比如非径向支承的异型桥梁等，采用空间有限元法分析是非常有必要的。此外，如果要了解曲线梁桥的稳定与振动特性，也必须采用空间有限元法。常用的空间有限元软件有MIDAS、ANSYS、SAP2000等。采用空间有限元法的缺点是计算工作量较大，在当前情况下，采用这种方法计算，需要付出较多的时间。 　　2.2下部结构分析 　　与直桥相比，曲线梁桥下部结构分析要复杂得多。在荷载方面，曲线梁桥除了与直桥一样要承受各种外荷载，如自重、车辆荷载、温度力、地震力等，还要承受离心力、曲梁内预应力索产生的径向力等；在墩顶水平力的分配方面，由于曲线梁桥不能象直桥一样，在求温度零点时不能只考虑一个方向的平衡，而要考虑两个方向的平衡，求出“不动点（转动中心）”；由于上部结构的扭转作用，各墩的轴力有很大的差异，在确定桩长时要特别注意这种情况；此外，由于各支座约束情况不一样，也会影响到各墩内力的分配。长期以来，人们对曲线梁桥上部结构分析比较重视。就目前的情况看，有关曲线梁桥上部结构分析的专著比较多，理论也比较成熟。与上部结构相比，针对曲线梁桥下部结构的研究还不够深入。 　　3、曲线梁桥设计应注意的几个问题 　　3.1总体布置 　　在进行桥梁总体布置时，要考虑两个方面问题：从结构受力方面，要注意调整梁内的扭矩分布，控制扭矩峰值，使梁截面以及支座受力较均匀；从结构变形方面，要注意控制梁端纵横向变位及翘曲变形，使之符合规范要求。要得到这些结果，主要是靠调整跨径搭配和处理边界条件。 　　3.1.1跨径的搭配 　　从已建成的桥梁看，梁端内侧支座“脱空”现象比较严重，主要是因为内侧支座反力太小甚至出现了负值。所以，我们要使内侧支座处于受压状态，并且要有一定的压力储备。比较有效的办法是控制边跨跨径，使边跨跨径与中跨比较接近。当受实际条件限制，边跨跨径与中跨差距较大时，也可考虑采取其他一些措施，比如调整边跨与中跨的自重等。