李涛
恒万达设计咨询有限公司 陕西 西安 710100
摘要：随着我国现代化建设及交通事业的蓬勃发展,高速公路、山区公路、城市立交等的兴建,曲线桥梁得到了广泛的应用。其结构线条平顺、流畅、明快,给人以美的享受。在公路建设中,除特大桥梁外,一般要求桥梁的平面布置服从公路线形,在进行平、纵、横三方面综合设计时,应做到平面流畅、纵坡均衡、横断面合理,并避免长直线设计,此时,小半径曲线梁桥往往成为最优方案。另外在山区公路展线、套沟,城市桥梁避开管线、文物,节省拆迁费用,减小建筑用地等方面有直接可观的经济效益。文中将重点介绍曲线桥梁的受力特点以及设计过程中应注意的一些问题，并提出一些相应的措施。
关键词：小半径；曲线桥梁；偏心；翘曲
1、概述
小半径曲线桥梁的设计非常复杂，它的预应力效应、温度效应以及活载效应的影响面加载都不同于传统直线桥梁或者大半径桥，除受弯矩、剪力外，还存在弯扭耦合、翘曲现象的作用，给上下部结构的构造及配筋处理带来很大困难，并且曲线桥梁的特殊力学现象是由桥长、桥跨、半径、墩台、支座等多方面共同决定的，
2、小半径曲线桥梁的结构受力特点
2.1小半径曲线桥梁支座的布置形式
曲线箱梁桥支座的布置型式通常采用三种形式：a.全部采用抗扭支承，b.两端设置抗扭支承，中间设单支点铰支承，
c.两端设置抗扭支承，中间既有单支点铰支承，又有抗扭支承的混合式支承。
近年来，在曲线箱梁桥工程实际应用中，两端为抗扭支座(双支座)，联内安置几个单点铰支座，即中支点下部采用独柱支承的曲线桥多次发生侧倾事故。其主要原因多为主梁在偏心荷载作用下发生扭转，当转角大到一定程度时，支反力的下滑分力将超过支座侧向的约束能力，扭矩将全部转移到梁端造成曲线内侧支座脱空，主梁发生倾覆。所以此类支座布置的形式在工程应用中已不多见。对于小半径的曲线箱梁，通常全部采用抗扭支承。通过内、外支座横桥向偏心的设置，来抵消主梁恒载因外弧半桥大于内弧半桥而产生的扭矩（如下图）。即支座的偏心相当于将支座放在主梁的实际荷载重心线上。而在跨中设置偏心支座时要分别考虑以下几方面的影响：
（1）横向恒载不均匀的影响，可通过设置中墩偏心距e来解决；对于弯曲半径大于130m的曲线梁，这个偏心距不大，一般在0.1m～0.2m左右。
（2）预应力束形成扭矩的影响这部分扭矩的影响相当大，有时在半径130m、联跨长140m的四跨曲线箱梁中可达20000KN?m以上，若用增加跨中支座偏心距的办法，则跨中支座的总偏心距为e=e+e'，式中，e'为抵抗预应力所产生的扭矩；若跨中支座按设内、外偏心支座的方案布置，偏心距的加大可使端部抗扭的双支座中的反力大致相等(或外侧支座反力稍大些)。
（3）曲线梁从施工完成到使用后的相当一段时间内均受到徐变、温度以及不均匀沉降产生的扭矩影响，支座总有滑移，因此每联曲线梁必须设有一个固定支座，固定支座一般设在跨中，有时也可特意在跨中设固结墩，充分利用桥墩的柔性来适应上部结构的变形要求。
（4）若梁的线刚度较低，则在内侧边缘行驶车辆的活载作用下会使内侧受拉区产生较大的应力及挠度(或转角)，此时可采用设内、外偏心支座的布置方案。
2.2预制结构桥梁在梁、板的布置
预制的板、梁结构一般都是直线结构，布设到平曲线上时，往往就会产生出很多细节上的矛盾。
墩台等角度布置(或径向布置)时，由于曲率半径的影响，内外梁梁长不等，半径越小，内外梁梁长差越大。墩台平行布置时，中矢高的大小则影响桥梁平面线形与路线平曲线的适应性。中矢高越小，桥梁平面线形越容易适应路线平曲线，中矢高越大，桥梁平面线形越难适应路线平曲线。一般来说，中矢高小于等于10cm的桥梁可以按照直线平行布孔，通过将桥面护栏现浇成曲线以适应平面线形。中矢高大于10cm小于20cm的桥梁可以采用平分中矢法布梁，即将桥梁先按照直线平行布孔之后整体向曲线凸出方向移动(1/2中矢高)的距离，依旧通过现浇桥面护栏为曲线来适应平面线形。
对于中矢高大于20cm的桥梁，则应按照折线平行布设，并应考虑对边梁翼缘进行适当的调整。
平行布孔的桥梁(指曲线上平行布孔，特殊的直线平行布孔除外)，每跨梁长虽然相同，但是预制梁端角度不同，上部结构预制时仍然较复杂。若在平行布孔的基础上，适当将墩台中心向曲线偏移方向旋转某一角度，利用等角度布置时预制梁长不变通过现浇段长度来调整该跨的实际梁长和梁端角度，则可实现平行布孔时预制梁也可以等梁长等角度。这种方法在工程应用中有一定的局限性，一是这种方法仅适用于有现浇段可调整的连续梁(如上部结构为小箱梁或T梁，简支板不适用)，二是这种方法适用于平曲线偏移角度较小的情况(如直线向缓和曲线过度段的桥孔布置)，三是墩台中心旋转的这一角度是根据曲线转角通过多次尝试寻找出来，难以把握规律。这种方法最大的优点是上部预制结构等长度等角度，缺点是上部布梁设计难度大，下部各墩台长度及交角也不相同。所以，该方法仅作为平曲线偏移不大、桥长较短的装配式连续梁桥布孔的尝试性方法。
2.3曲线梁桥预应力钢束的设计
在曲线梁桥设计过程中，预应力钢束既能够抵抗弯矩，还可以将外荷载产生的扭矩抵消掉。通常情况下，可以采取下面三种方法抵消扭矩：a.内侧腹板和外侧腹板均使用线形不同的预应力筋。b.内侧腹板和外侧腹板使用的线性对称的预应力筋，但是其张拉力不相同。c.在顶板、底板中设计弯曲方向呈互相反方向的预应力筋。
曲线梁桥的预应力钢束不仅有平面弯曲同时还有沿梁高度方向的竖向弯曲，预应力钢束径向力的作用点总是沿梁高度方向在变化。当其作用点位于主梁截面剪切中心以上或以下时，钢束径向力就会对主梁产生扭转作用，位于截面剪切中心以上的钢束径向力产生的扭矩（MT）方向与位于截面剪切中心以下的钢束径向力产生的扭矩(MT’)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大于MT’时，主梁就产生向圆心方向的扭转，反之主梁则产生背离圆心方向的扭转。这样预应力钢束就会引起曲线梁的向内偏转或向外偏转的情况。
桥梁的主梁都是以受弯为主的构件，所以预应力钢束应首先满足纵向弯矩的受力要求。由于预应力混凝土连续弯梁的弯矩图正弯矩区段的长度通常远大于负弯矩区段的长度，所以相应的预应力钢束重心位于主梁底部的长度远大于位于主梁顶部的长度。这使得预应力径向力产生的扭矩MT’大于MT，即预应力产生的总扭矩是向曲线外侧翻转的。
而对于预应力钢混组合梁，因混凝土桥面板位于主梁顶部，预应力钢束全部配置在桥面板内，所有钢束重心均位于剪切中心上方，使得预应力径向力产生的扭矩只有MT，所以预应力产生的总扭矩是向曲线内侧翻转的。
施加预应力虽然能够有效的增加桥梁的跨越能力、提高结构的刚度和减小结构的构造尺寸，但是在曲线桥中，应用上述措施将会降低预应力的抗弯效应，因此，是否采用预应力来抵消扭矩需要从实际情况出发，进行有针对性的设计。
2.4中横梁刚度设计
曲线梁桥的中横梁，不仅起着联系主梁和加强横向刚度的作用，而且是抵抗扭转并保持全桥稳定的重要构件。受曲率的影响，主梁在弯曲的同时还将产生扭转，结构的总挠度是由弯曲和扭转两部分产生的挠度迭加而成，所以横梁的抗弯和抗扭刚度就需要设计得大一些。中横梁的刚度大小对各肋支点处负弯距的影响较为显著，荷载分配较敏感，而对各肋跨中正弯矩的影响则相对较小。具有较大刚度的中横梁对各肋间支点负弯矩处的荷载分配就会相对均匀，但当横粱刚度达到一定的界限后，它对荷载分配的影响将会减小。根据以往的设计经验，对于中小跨径的连续梁，中横梁的刚度取用桥梁横断面刚度的0.35—0.4倍较为合理。
3、结语
本文通过对曲线桥梁受力情况的分析，总结出曲线桥梁在设计过程中，应考虑到各个方面的因素，并引起足够的重视，特别应该对曲线连续梁桥的纵向弯曲、扭转以及翘曲共同作用下，结合桥梁自身恒载以及汽车活载，进行详细的空间受力分析，最终才能使得此类桥梁的设计更加安全可靠。
参考文献
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