曲线箱梁桥结构受力浅析

王鹏涛

（中铁十五局集团第五工程有限公司，河南，洛阳，471000）

【摘要】曲线梁桥是现代化交通工程中的一种重要桥型。随着高等级公路和城市道路的迅速发展，同时考虑到地形、地物的限制，路线整体线形的连续性以及城市景观美化等因素，使得其被普遍采用。由于曲线梁桥这一结构形式的受力状况较为复杂，曲线梁桥在设计和施工中还存在较多问题，如对扭转、平面内位移等问题的分析欠全面，支承等设计细节还存在不少问题，特别是部分曲线梁桥在通车后不久就出现梁体沿径向外移、梁体扭转等现象，严重者甚至会有发生倾覆的危险。本文主要论述曲线梁桥的力学特性，影响因素及应注意问题。

【关键词】曲线箱梁桥；结构；力学特性；影响因素

1、前言

随着现代社会的发展和人们需求的提高，交通要求越来越快捷对个体舒适视觉感官的要求也越来越高。我国近年来修建了大量的高等级公路尤其城市立交桥建设发展很快，道路设计时往往要综合道路平面纵断面和横断面等进行设计，以保证道路的平面顺畅纵坡均衡和横断面合理。考虑到车辆行驶时的安全舒适以使驾驶人员的视觉和心理反应能保持线形的连续性，由于直线视觉效果单调容易使人疲劳，现在进行道路设计时往往采用平面上避免长直线的设计原则，因此弯桥的使用是不可避免的。

2、曲线梁桥受力特点

2.1弯曲和扭转的耦合效应

与直线梁相比较，曲线梁由于曲率的影响，导致曲线梁产生弯扭祸合作用。也即在外荷载作用下，梁截面内产生“弯矩”的同时必然伴随着产生“耦合扭矩”；同理，在产生“扭矩”的同时也伴随着产生相应的“耦合弯矩”。因此，其相应的竖向挠曲变形也与扭转角之间对应的产生耦合效应。

2.2内外梁体受力不均匀

在曲线梁桥的两端均设置抗扭支座，其内侧的支座反力通常会小于外侧。由于曲线梁桥中存在着不能忽视的扭转效应，一般情况下会出现外梁超载，内梁卸载，导致内、外梁应力差别。当桥面较宽时，这种应力差别会更为明显。当曲线梁桥的总跨度较大而曲率半径较小，且由恒载产生的支座反力也较小时，应该注意由预应力、活载等可能引起的支座反力负值，采取相应的构造措施。例如，选用单箱双室的宽箱梁。曲线梁桥的扭矩值通常较大，很易产生较大的扭转变形，相比直桥中的横隔梁而言，曲线梁桥中的横隔梁显得更为重要。

2.3侧向稳定受温度、活载影响

曲线梁桥在使用过程中,由于自身构造和外界因素如温度、车辆活载等的影响,会产生侧向位移,并且发生的侧向变位不能够完全恢复,存在不可恢复的残余位移,即曲线梁桥的爬移现象。这种现象轻则导致梁端伸缩缝的剪切破坏,影响其使用寿命,严重的则会出现支承结构破坏、梁体滑移和翻转。

2.4预应力的摩擦损失计算应按空间考虑

曲线梁桥中预应力效应对支反力的分配有较大影响，在预应力损失的计算当中，钢束与管道之间的摩阻损占据了很大比重。曲线梁桥的钢束多为空间曲线，在进行摩阻损失的计算时，应按空间转角考虑。

2.5下部受力计算复杂

与直桥相比较而言，曲线梁桥的墩顶水平力除了包含直桥墩顶的内力之外，还包含了离心力和预应力张拉产生的径向力，而且，由于曲线梁桥的内外侧支座反力相差较大，所以不同墩柱的墩顶所承受的竖向力大小也不一样。必须考虑其结构的空间受力特性，对其进行全面的、整体的受力分析，才能获得它的实际受力状态。

3、曲线梁桥的影响因素

3.1曲率半径

在曲线梁桥中的内力中，曲率半径的改变能对扭矩和双力矩造成明显地变化，一般对剪力和弯矩的影响则较小，只有在曲率半径很小时，它的改变才会对弯矩和剪力造成较大的影响。随着曲率半径的增大，梁的挠度和法向应力沿截面分布就越均匀；当曲率半径变小时，不仅挠度增加，截面的畸变变形和畸变应力与会随之增大。曲率半径越小,梁端的径向位移越大,即径向位移与曲率半径成反比。

3.2圆心角

在《混凝土曲线梁桥》一书中，邵容光教授根据理论推导：当圆心角φ0较小，与扭转相关的c11极小，对挠度的影响很小，可以忽略不计，即可以将曲线梁近似作为直线梁处理，并且随着圆心角减小，曲线梁的特性就愈接近直线梁。曲线梁半径r愈小，跨径愈大，其圆心角φ0相对愈大，弯扭效应也愈明显。

3.3弯扭刚度比k＝EI／GId

曲线梁桥中的弯扭刚度比对结构的受力状态和变形状态有着直接的关系。当集中荷载作用下的超静定简支曲线梁，k值愈大，则由于曲率因素而导致的扭转变形显著增大。因此，对于曲线梁桥而言，在满足竖向变形(抗弯刚度EI)的前提下，宜尽可能地减小EI值，增大GId值。所以，低高度梁和抗扭惯矩较大的箱形（封闭形）截面是合理的横截面形式。

3.4截面形式

对于梁的截面形式,主要反映在其横向刚度上,横向刚度越大,其侧向位移就越小；反之就越大。当箱梁总宽不变时，一方面悬臂板长度的变化会影响翘曲刚度和双力矩，两者皆随悬臂板长度变化而变化，另一方面室数的增加有利于受力。

3.5横隔板数

内横隔板的存在可以改善曲线箱梁的受力特性，而且在对减少截面畸变变形和畸变应力方面作用尤为突出。换言之，内横隔板有益于对曲线箱梁内外缘的变形和应力进行调整。故适当增设内横隔板能收到较好的效果。

4、曲线梁桥注意问题

4.1上部结构方案的选定：在尽量满足跨越功能的同时还要注意“扭转跨径“不能太长；尽可能的选择抗扭刚度大的横截面，例如箱形截面，同时还可以增加横隔梁数量增大抗扭刚度；梁端间隙和伸缩缝的构造必须满足最大升温条件下梁体能自由伸缩变形。

4.2预应力钢束的设计：纵向预应力钢束的布置，应该尽可能使钢束的平面位置与曲梁的轴线以及预应力的压力线吻合。截面上的预压力弯矩除以该截面的预压力即可以得到偏心距，再根据偏心距就可以求得预压力作用点的位置，而全桥各截面的预压力合力作用点的连线即是压力线。若压力线与梁中性轴有偏差，则预应力钢束具有平面曲率，水平预应力乘以偏差距构成偏心扭矩，从而产生附加弯矩。

4.3支座的选取和预偏心的设置：曲线梁桥支座的选取和布置都非常重要，这直接影响结果的受力安全。若支座选择不当，长久的温差作用会导致较大的梁体位移，直接影响桥梁的安全性和行车舒适性。在没有其它任何构造措施的情况下，不能在所有中墩上都是放置径向或双向活动支座，否则梁体很容易产生不可恢复的扭转和水平位移，在温差作用下这种变形极易发生；若所用中墩上都没有放置能固定梁体横向位移的支座，则必须采取相应的构造措施以限制梁端的纵向位移。例如，在梁端与桥台之间放置橡胶热块同时施加适当的预拉力，则可使由温差作用产生的梁体扭转和水平位移复位。支座的最大水平受力和梁相对支座的最大水平位移，必要情况下应设置可靠的构造措施来限制水平位移和防止落梁。为使扭矩沿桥轴线的分布更均匀，结构的配筋布置更合理，可以提前给予支座一定的径向偏心值，即设置预偏心。在张拉具有水平曲率的纵向预应力钢束时，会对梁体腹板产生很大的径向压力，从而引起钢束侧崩力，故需要增加侧向防崩钢筋。

5、结语

曲线梁体的受力及变形、位移比直线梁体复杂得多，与许多因素有关，而这些因素的考虑和确定是非常复杂的，因此设计和施工中要充分考虑到这些因素，才能减少曲线箱梁桥病害的出现。

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作者简介：

王鹏涛（1980.09---），男，汉族，陕西西安人，本科，工程师，中铁十五局集团第五工程有限公司，主要研究方向：铁路、公路施工与管理。