曲线桥梁设计的计算分析

曲线桥梁设计的计算分析

马雪平

中国市政华北设计研究总院有限公司，天津 300074

摘要：随着中国公路的日益发达和路面等级的日益增加，曲线桥的运用日益普遍。根据工程设计实际情况，对有关的曲线桥设计理论计算加以分析，并分别研究了曲线桥的设计结构、支承形式、内部力量计算及其计算机软件应用，希望对进一步提高曲线桥的工程设计技术水平，提供必要的理论指导意义。

关键词：曲线桥梁；设计；计算

前言

在现阶段，由于中国城镇化进程的加速，在城市系统中城市立交得以快速发展，同时我国的路面等级也得到了进一步提升，使曲线桥越来越受到设计者的重视。在对城市中小桥平面进行布置设计的过程中必须服务于城市交流道路线形，因此根据城市立交桥匝道的布局选择了曲线桥的规划计算方法针进行了方案设计，并要求把异形桥的建筑设计手法运用到城市立交桥中。通常，在曲线桥方案设计和施工过程中选择了采用就地施工的方式对箱形桥进行设计施工，其中以直代曲施工是在曲线桥方案设计施工中最常见的一个施工型建筑设计方式。由于曲线的零点五径越大，以直代曲的直线段也就越大，但是在大桥建设工程曲线线形并没有受到太大的负面影响。我们将对相关曲线桥梁设计计算过程加以分析与研究，为同类结构的建筑设计提出相应技术依据。

1 曲线桥梁的设计构造

通常，曲线桥梁的施工采取就地施工钢筋砼的方法，或者是使用预应力砼连续箱梁桥的方式。对等截面连续曲线梁桥，其正立面布局选择以等跨径的方法较为理想，但也可选用不等跨度布局的方式方法^[1]。通常，桥梁所采用的最大跨径约为20m~60m，最高跨比约为1/15~1/25。对变断面连续曲线箱梁桥，在其正立面布局设计中主要采取了中跨跨径不等于边跨跨径的布局方法，一般主跨径的边长是40m~70m，边跨跨径则为主跨跨径的0.6倍～0.8倍。曲线桥梁支点截面的桥梁高度一般为中间横跨径的1/16~1/18，且最小高度不得少于1/20，跨中横截面桥梁高一般为中间支点截面桥梁高的1/1.5~1/2.5。曲线桥梁的主梁一般采取盒形断面的方法，较为常用的盒型断面形式分为单箱单室、单箱双室、单箱多室、双箱单室、双箱双室和双箱多室等，当中单箱单室截面宽度的顶部长度通常不能超过14m，而单箱双室通常为20m，而双箱多室的顶部高度可以相当长但又不能大于40m，腹板则采取直腹层甚至是斜腹层的方法。箱梁在支撑部采用了暗梁的设定，在该桥的端部为端大梁，宽度通常为0.8m~1.0m，中支承部为中大梁，宽度通常为1~1.8m，长度的选定主要取决于支撑形式和梁受力类型等原因。针对薄壁箱梁而言，增加横隔墙梁是降低横截面畸变变形的最好方法。箱梁顶部、底板和腹板的具体规格选取，在本章中并不作详细描述。

2 支承形式

如果曲线桥梁的桥宽比较宽，桥的支撑形式和端梁的设计中横梁的下腹层位置也必须均匀设定了多个支座，这种方法也叫做抗扭支承，与全跨选择的支撑形式是一样的^[2]。而若是曲线桥梁的桥宽比较窄，比如匝道大桥的桥梁下部结构施工为节约施工投入，通常都会在大桥的中支点部位采用一个支座的设定，这个方法也称为点铰支撑，匝道大桥通常都会在端部或者说是连接跨数相对较为多的某一中支点采用抗扭支撑的设定，或是其他中支点也采用了点铰支撑的设定。点铰支撑随着径向向外移动位置达到了规定的间距后，对连续曲线箱梁的扭力就能够产生非常明显的提升效果。当对曲线桥梁的构造做出布置设计之后，就可以获取每一支座反作用力数值，并且要求在所有情形下，每一支座的反作用力必须不等于零，也就是支座必须一直处在承压的状态下；在永久作用和可变作用力的双重影响下，每一支座反作用力也需要不等于零，也就是支座必须一直处在承压状态^[3]。假如支反作用力永远不等于零，则支座受拉，同时也有可能产生在该支座上部的曲柱上翘，在这个情形下通常会需要对该桥跨度作出再次设定，又或者说是在该支座的上部箱梁上用水泥和钢锭压重，从而使得支反作用力永远不等于零，支座始终保持在受力状态。

3 内力计算

连续曲线箱梁桥的内力主要包括以下几个方面，包括最大弯矩、剪力、轴力和扭矩等。在曲线桥进行设计的过程中，由于考虑到扭矩变化比较大，因此通常都是使外侧梁超载，内侧梁卸载设计，曲线桥的最大内力分布并不平衡，并且外侧梁的最大承载力较大，而内侧梁承载力则很小^[4]。但于之相同的是，左右桥的支点反受力也有所不同，并且外侧较大内侧较小，一旦活载偏置时，外内梁就有机会形成正负方向的反力，因此建设方面要采用合适的办法防止出现负反受力，而此类情况一般在支承形式中已略作阐述^[5]。连续曲线箱梁桥内能，也就是说最大弯矩、剪力、轴力和转矩等，对内能做出的估计一般是依据超静定结构，也可透过使用变形协调方程来对内能做出计算。而假如构件的单跨与跨宽比等于2则叫做窄桥，必须依据杆系构造对其做出估计；假如结构构件的单跨横宽比不超过2则称为最宽桥，必须利用其平面结构对其加以估算。再经过分解与运算，可以得出构件的最大内能包络线平面图，如图1所述为三跨连续曲线箱梁结构按杆系程序运算的单元划分线平面图，图2～图4分别为用杆系程序运算所得到的构件最大弯矩、剪力作用和扭矩最大的内能包络线平面图。

图1、按处于圆缓曲线上的三跨连续箱梁杆系按单位分为平面图

图2、弯矩包络图

图3、剪力包络图

图4、扭矩包络图

4 计算机软件

应用在对曲线桥进行设计和计算的过程中必然使用到相应计算软件系统，但是假如没有对软件系统进行分析仿真来进行设计和计算，哪怕是对曲线桥计算已经进行了大量简化，可是相对于工作人员的工作量而言，仍然是比较复杂的。如果在计算软件上比较缺少有力支持，哪怕是最好的计算方法在具体工程设计实施方面也无法得到真实有效的运用，而最主要的问题就是工程技术人员必须完成非常繁琐而又复杂的工程设计计算步骤。现阶段，比如说ANSYS 、SAP等空间编程和专业桥梁的有限元分析软件系统Midas Civil，和桥梁博士等弹性或薄壁杆杆系编程，都是一个大规模运用于复杂曲线桥设计中的计算性编程软件系统。面对曲线桥梁提供设计与计算时，空间编程的使用并不太普遍，这主要是因为ANSYS与SAP在具体的空间使用方面也存在着一定问题，而且通常这些程式在深入开展研究的时候使用的频率都较高。在曲线桥计算机应用软件领域方面的有限元编程，可以分为广泛应用于宽桥的平面机构模型编程，还有广泛应用于狭桥中的曲杆编程等，先要对其加以分类，首先分为支撑形态、受限单元构件和有限元节点，随后在计算程式中提供构件建模，紧然后再将构件的重量密度或者截面形状等注入到程式中，最终结果是提供可变力作用负荷等有关技术参数，再进行相应的运算即可得出各种数值，包括结构内力扭矩、剪力作用和最大弯矩等的支座反力的包络线图，也因此可以把结构内力包络线图在当时主要是按照针对桥构件中的断面长度等有关的数值加以判别。

结语

综上所述，对于曲线桥进行计算分析，目前一般都是使用相应的计算机软件，将桥构件的内力、反应力等数值精确的计算出来，同时也将计算结果中得到的相反应力值作为比较依据，进而对支坐的形式与种类做出了选择。通常，要求反作用力不等于零，因此首先要选取在正常受力状况下的支坐，最后再将估算所得内力作用值作为依据，并使用适当的计算机软件，对曲线桥梁中的抗扭、抗剪及其抗扭配筋等数值加以统计，进而根据得到的数值对曲线桥中的结构钢筋直径加以配置。

参考文献：

[1]石永胜,赵世斌. 浅析曲线桥梁的设计与计算[J]. 商业故事,2016,(28):122.

[2]朱众,周晓玺,李宏亮. 有关曲线桥梁设计计算分析[J]. 城市道桥与防洪,2015,(07):231-233+21.

[3]黄华银. 浅谈曲线桥梁设计计算[J]. 江西建材,2014,(20):127.

[4]潘黎明. 浅谈曲线桥梁设计计算[J]. 山西建筑,2010,36(02):327-328.

[5]白青侠. 曲线桥梁缓和段几何设计计算方法[J]. 西安公路交通大学学报,1999,(04):42-44.