连续弯梁桥结构设计的新思路
摘要:本文介绍了曲线桥梁的受力特点，分析了弯梁桥设计时应考虑和注意的几个问题
关键词:弯梁桥,制约因素,受力特点,结构设计
一、概述
目前弯梁桥在现代化的公路及城市道路立交中的数量逐年增加，应用已非常普遍。尤其在互通式立交的匝道桥设计中应用更为广泛。由于受地形、地物和占地面积的影响，匝道的设计往往受到多种因素的限制，这就决定了匝道桥设计具有以下特点：⑴匝道桥的桥面宽度比较窄，一般匝道宽度在6～11m左右。⑵由于匝道是用来实现道路的转向功能的，在城市中立交往往受到占地面积的限制，所以匝道桥多为小半径的曲线梁桥，而且设置较大超高值。⑶匝道桥往往设置较大纵坡，匝道不仅跨越下面的非机动车道，有时还需跨越主干道和匝道，这就增大了匝道桥的长度。由于匝道桥具有斜、弯、坡、异形等特点，给桥梁的线型设计和构造处理带来很大困难。
二、弯梁桥的平面及纵、横断面布置
随着高等级公路在路线线形方面的要求越来越高，要求桥梁设计完全符合路线线形，所以桥梁的平面布置，基本上应服从整体线形布置的要求，桥梁纵坡也应服从路线纵坡。为了抵抗梁截面的弯矩和扭矩，在弯梁桥设计中多采用箱形截面。由于桥面超高的需要及梁体受扭时外边梁受力较大的需要，故可在桥梁横向将各主梁布置做成不同的梁高，如图一所示。为了构造简单，方便施工，也可将主梁做成等高度的，其超高横坡由墩台顶面形成，如图二所示。
三、弯梁桥结构受力特点
3.1 梁体的弯扭耦合作用
曲梁在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩，并且互相影响，使梁截面处于弯扭耦合作用的状态，其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多，这是曲梁独有的受力特点。弯梁桥由于受到强大的扭矩作用，产生扭转变形，其曲线外侧的竖向挠度大于同跨径的直桥;由于弯扭耦合作用，在梁端可能出现翘曲;当梁端横桥向约束较弱时，梁体有向弯道外侧“爬移”的趋势。
3.2 内梁和外梁受力不均
在曲线梁桥中，由于存在较大的扭矩，因而通常会使外梁超载、内梁卸载，尤其在宽桥情况下内、外梁的差异更大。由于内、外梁的支点反力有时相差很大，当活载偏置时，内梁甚至可能产生负反力，这时如果支座不能承受拉力，就会出现梁体与支座的脱离，即“支座脱空”现象。
3.3 墩台受力复杂
由于内外侧支座反力相差较大，使各墩柱所受垂直力出现较大差异。弯桥下部结构墩顶水平力，除了与直桥一样有制动力、温度变化引起的内力、地震力等外，还存在离心力和预应力张拉产生的径向力。
故在曲线梁桥结构设计中，应对其进行全面的整体的空间受力计算分析，只采用横向分布等简化计算方法，不能满足设计要求。必须对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下，结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析，充分考虑其结构的空间受力特点才能得到安全可靠的结构设计。
四、弯梁桥的结构设计
4.1 直梁桥受“弯、剪”作用，而弯梁桥处于“弯、剪、扭”的复合受力状态，故上、下部结构必须构成有利于抵抗“弯、剪、扭”的措施。
4.2 弯梁桥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：弯扭刚度比越大，由曲率因素而导致的扭转弯形越大，因此，对于弯梁桥而言在满足竖向变形的前提下，应尽可能减小抗弯刚度、增大抗扭刚度。所以在曲线梁桥中，宜选用低高度梁和抗扭惯矩较大的箱形截面。
4.3 在弯梁桥截面设计时，要在桥跨范围内设置一些横隔板，以加强横桥向刚度并保持全桥稳定性。在截面发生较大变化的位置，要设渐变段过渡，减小应力集中效应。
4.4 在进行配筋设计时要充分考虑扭矩效应，弯梁应在腹板侧面布置较多受力钢筋，其截面上下缘钢筋也比同等跨径的直桥多，且应配置较多的抗扭箍筋。
4.5 城市立交桥中的弯箱梁桥中墩多布置成独柱支承构造。在独柱式点铰支承弯连续梁中，上部结构在外荷载作用下产生的扭矩不能通过中间支承传至基础，而只能通过曲梁两端抗扭支承来传递，从而易造成曲梁产生过大扭矩。为减小弯梁桥梁体受扭对上、下部结构产生的不利影响，可采用以下方法进行结构受力平衡的调整：
① 为减小此项扭矩的影响，比较有效的办法是通过调整独柱支承偏心值来改善主梁受力。
② 通过预应力筋的径向偏心距来消除曲梁内某些截面过大的扭矩，改善主梁的受力状态也是一种行之有效的办法。预应力曲线梁往往产生向外偏转的情况，这是由其结构特点造成的。预应力产生的扭矩分布和自重、恒载作用下的扭矩分布规律有着较大的区别，为调整扭矩分布，可在曲线梁轴线两侧采用不同的预应力钢束及锚下控制应力，构成预应力束应力的偏心，形成内扭矩来调整曲线梁扭矩分布。
4.6下部支承方式的确定。曲线梁桥的不同支承方式，对其上、下部结构内力影响非常大。对于弯梁桥，中间支承一般分为两种类型：抗扭型支承(多支点或墩梁固结)和单支点铰支承。在曲线梁桥选择支承方式时，可遵循以下原则：
① 对于较宽的桥(桥宽B>12m)和曲线半径较大(一般R>100m)的曲线梁桥，由于主梁扭转作用较小，桥体宽要求主梁增加横向稳定性，故在中墩宜采用具有抗扭较强的多柱或多支座的支承方式，亦可采用墩柱与梁固结的支承形式。
② 对于较窄的桥(桥宽 B≤12m)和曲线半径较小(一般约 R≤100m)的曲线梁桥，由于主梁扭转作用的增加，尤其在预应力钢束径向力的作用下，主梁横向扭矩和扭转变形很大。由于桥窄因此宜采用独柱墩，但在选用支承结构形式时应视墩柱高度不同而确定。较高的中墩可采用墩柱与梁固结的结构支承形式。较低的中墩可采用具有较弱抗扭能力的单点支承的方式。这样可有效降低墩柱的弯短和减小主梁的横向扭转变形。但这两种交承方式都需对横向支座偏心进行调整。
③ 墩柱截面的合理选用。当采用墩柱与梁固结的支承形式时就必须注意墩柱的弯矩变化。在主梁的扭转变形过大同时墩柱弯矩也很大(一般墩柱较矮)的情况下，宜采用矩形截面墩柱。因为矩形截面沿主梁纵向抗弯刚度较小，而沿主梁横向抗弯刚度较大，这样既减小了墩柱的配筋又降低了主梁的横向扭转变形，更适合其受力特点。
五、弯梁桥设计中需要注意的其它问题：
5.1 所有中墩支座，尽可能横桥向位移固定，可采用盆式或普通板式橡胶支座
5.2 当桥长较大(如大于100m),梁端支座应能顺桥向自由滑动、横桥向位移固定，可采用盆式橡胶支座，或附加了横桥向位移固定装置的四氟板橡胶支座;此外，梁端间隙和伸缩缝构造，应保证在最大升温条件下，梁能够不受阻碍地自由伸缩变形;当桥长较小时，梁端支座可以采用普通板式橡胶支座。“梁端设普通板式橡胶支座、所有中墩设横桥向自由滑动的盆式支座”，对曲线梁桥是危险的，应绝对避免。
5.3 当曲线梁桥比较宽、各墩也较宽时，应注意温度变化时由于曲线梁水平弯曲变形在墩顶产生的横桥向水平作用力可能会比较大，尤其是当所有中墩支座均为横桥向位移固定时。
六、结语
弯梁桥由于其结构受力的特殊性，较同等跨径的直梁桥要复杂得多，因此在进行弯桥设计和计算时应引起足够的重视。本文仅是笔者参加弯梁桥设计中的几点体会，不当之处，请同行多多指正。
参考文献
[1]邵容光.混凝土弯梁桥.北京：人民交通出版社，1996
[2]孙广华.曲线梁桥计算.北京：人民交通出版社，1997
[3]何维利.独柱支承的曲线梁桥设计.