论文部分内容阅读
【摘 要】 本文结合作者多年工作经验，以某双柱墩弯箱梁桥为例，分析了弯箱梁桥的特点及设计过程。
【关键词】 弯箱梁桥;力学特征;设计
随着现代化公路及城市道路建设的发展和交通的需要，许多大中城市的交通要道和高速公路上兴建了一大批立交桥，因此弯箱梁桥得到了飞速的发展，尤其在城市立交桥中应用最广。本文以某双柱墩弯箱梁桥为例，分析了弯箱梁桥设计过程及特点。
1 弯箱梁桥的力学特性
在直梁桥，只要荷载不偏心，梁是不产生扭转的。但在弯箱梁桥，无论荷载有无偏心，也将产生的弯矩和扭矩作用，并相互影响，使截面处于弯扭耦合作用状态。这是弯箱梁桥的主要力学特性：
（1）墩台受力方面：因为力差，弯箱梁桥的墩柱的轴压差是非常大的，墩顶水平力除由制动力、温度变化引起的内力，还有预应力引起的离心力和径向力。此外，曲梁的切线方向都在不断变化，汽车制动力在下部结构的分配计算也比相应直线梁桥复杂很多。
（2）支反力方面：弯箱梁桥的支反力有外侧变大、内侧变小的趋势。当活载偏置或曲率半径、恒载较小时，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的脱离以及支座脱空等现象。
（3）梁体受力方面：在弯箱梁桥中，无论荷载是否偏心都会产生弯矩和扭矩。由于扭矩的作用，弯箱梁会出现外梁超载、内梁卸载的现象。当曲率半径较小而桥面又较宽的情况下，这种现象会更加明显。
（4）变形方面：由于弯扭耦合，弯箱梁桥变形为弯曲和扭转两者迭加，故其变形要大于一般直线梁桥，且梁外侧挠度大于内侧挠度，甚至会使梁端出现翘曲变形。当梁端横桥向约束较小时，梁体有向弯箱外侧滑移的趋势。此外，弯箱梁桥多为单向行驶，主梁在离心力和制动力的长期反复作用下容易产生向弯箱外侧及汽车制动力方向的水平错位。
2 弯箱梁桥的支承布置形式
（1）弯箱梁桥的支承方式可分为铰支座和扭转支持;（2）为连续曲线箱梁桥，以确保梁扭转变形是不是由于过度膨胀节损坏，一般可以抵御外部的扭矩-扭轴承安装在梁的两个最后，以扭转轴承或点铰支承中间支撑，或两种支护形式交替使用。在弯箱半径较大时，中间采用独柱墩与采用双柱墩，虽然弯矩和剪力差别较小，但扭矩有明显差别;（3）通过均布力矩作用在弯箱桥与直线桥是扭矩图的对比，弯箱半径越小传递到端支承的扭矩也越小。
由于互通内的匝道桥宽度一般较小，端支承的间距不大，若存在较大的扭矩将使内侧端支座产生负反力，支座脱空，同时靠近端支承的梁体也要承受较大的扭矩。在多跨连续梁的弯曲半径大时建议不设计箱中独柱墩，尤其在桥宽较宽的直桥上不应设置多个中间的单柱墩。近年来，一些单柱连续梁桥横向倾覆的公路桥梁事故的发生，虽然目前没有相关规定在横向倾覆稳定性，但必须注意。弯箱梁桥的桥墩与直桥相比，其水平力除了同样要车辆荷载制动力、温度力、地震力等外，还多了离心力、预力产生的径向力等;离心力是弯箱桥特有的与桥轴线垂直的水平荷载，在弯箱半径较小时（R≤250m），应计算其作用，则弯箱桥梁的桥墩在横向刚度要比直线桥的要设计的大。弯箱梁桥平面位移有两种设计方法，一是各部分位移都朝向一个设定的固定点，另一种是个部分位移都切与弯箱半径;中墩和边墩不应都设置为活动支座，至少应设置2个中墩多向固定支座。
2 结构设计分析
2.1工程实例
某四跨混凝土弯箱梁桥，跨径布置为（18+21+21+18）m，弯箱为圆弯箱（R=80m）和缓和弯箱的组合，平面图如图1所示，单箱单室截面（图2），梁高1.6m，箱梁顶板宽8.3m，梁底宽3.78m，跨中腹板厚0.45m，支点腹板厚0.70m，采用斜腹板形式，桥墩均为双柱墩，支座中心间距2.2m。
图l 弯箱梁桥平面图
跨中截面图
支座处截面图
图2 箱梁跨中、支座处横截面图（单位：mm）。
2.2弯箱梁桥的设计研究
（1）弯箱梁桥的平纵横布置。弯箱梁桥的平面和纵断面布置应服从整体线形布置的要求。横断面布置中，为了抵抗梁截面的弯矩和扭矩，宜采用箱形截面。梁高通常取同等跨径的直线桥梁高，并适当加厚腹板，以增大其抗扭刚度。
（2）配筋设计。弯箱梁桥的最大跨径为21m，采用普通钢筋混凝土结构。钢筋不但要承受弯矩和剪力的作用，还要承受扭转作用。此外，还需要设置一定的构造钢筋。
（3）支承方式的选择。弯箱梁桥中梁端的桥台或者墩顶一般采用两点或多点支承以提高稳定性。中墩的支承方式可以采用双柱墩、矩形墩双支座以及独柱墩的形式。但考虑到仅梁端设置抗扭支座时，全联的扭矩将大部分集中分布在梁端，梁端出现过大的扭矩，导致曲梁内侧支座脱空，且独柱支座墩在偏载情况下容易发生倾覆现象，本算例中墩最终采用双支座，以分担部分扭矩，避免梁端扭矩过大。
表1 不设置支座偏心时的支座反力kN
（4）支座偏心设计。中墩设置双支座后，梁端的扭矩有所减小，但主梁仍有向外侧倾覆的力矩，对桥梁上下部结构产生不利的影响。通过调整支座偏心值（横向向外偏移）能有效地改善主梁受力，减小支座反力插值，使墩台受力趋于合理。本工程设计考虑支座偏心，计算恒载和标准组合下的支座反力，得出表1和表2所示的结果。从表2和表3可以看出，支座偏心时弯箱梁桥内外侧的反力差值明显小于不设偏心时的反力差，且能使支座不出现负反力。
表2 设置支座偏心时的支座反力kN
3 结语
弯箱梁桥的横向稳定性的弯扭耦合效应的存在，成为设计的关键。合理的结构布局，选择适当的截面，配筋和支座布置，可以有效地提高改善受力状态;在曲线箱梁桥的设计，应尽可能使用双柱墩的设置。采用双轴承支持的可能性可以减少轴承腔，使用更加安全和稳定的桥梁;反力差分设置偏心支撑的合理可明显降低弯箱梁桥的内部和外部，以避免负面反应。
参考文献：
[1]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].
[1]刘效尧徐岳.梁桥（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2011.
[3]张罗溪.连续弯桥的实用计算方法及其扭转性能分析[J].石家庄铁道学院学报，1991，4（2）：15-22.
【关键词】 弯箱梁桥;力学特征;设计
随着现代化公路及城市道路建设的发展和交通的需要，许多大中城市的交通要道和高速公路上兴建了一大批立交桥，因此弯箱梁桥得到了飞速的发展，尤其在城市立交桥中应用最广。本文以某双柱墩弯箱梁桥为例，分析了弯箱梁桥设计过程及特点。
1 弯箱梁桥的力学特性
在直梁桥，只要荷载不偏心，梁是不产生扭转的。但在弯箱梁桥，无论荷载有无偏心，也将产生的弯矩和扭矩作用，并相互影响，使截面处于弯扭耦合作用状态。这是弯箱梁桥的主要力学特性：
（1）墩台受力方面：因为力差，弯箱梁桥的墩柱的轴压差是非常大的，墩顶水平力除由制动力、温度变化引起的内力，还有预应力引起的离心力和径向力。此外，曲梁的切线方向都在不断变化，汽车制动力在下部结构的分配计算也比相应直线梁桥复杂很多。
（2）支反力方面：弯箱梁桥的支反力有外侧变大、内侧变小的趋势。当活载偏置或曲率半径、恒载较小时，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的脱离以及支座脱空等现象。
（3）梁体受力方面：在弯箱梁桥中，无论荷载是否偏心都会产生弯矩和扭矩。由于扭矩的作用，弯箱梁会出现外梁超载、内梁卸载的现象。当曲率半径较小而桥面又较宽的情况下，这种现象会更加明显。
（4）变形方面：由于弯扭耦合，弯箱梁桥变形为弯曲和扭转两者迭加，故其变形要大于一般直线梁桥，且梁外侧挠度大于内侧挠度，甚至会使梁端出现翘曲变形。当梁端横桥向约束较小时，梁体有向弯箱外侧滑移的趋势。此外，弯箱梁桥多为单向行驶，主梁在离心力和制动力的长期反复作用下容易产生向弯箱外侧及汽车制动力方向的水平错位。
2 弯箱梁桥的支承布置形式
（1）弯箱梁桥的支承方式可分为铰支座和扭转支持;（2）为连续曲线箱梁桥，以确保梁扭转变形是不是由于过度膨胀节损坏，一般可以抵御外部的扭矩-扭轴承安装在梁的两个最后，以扭转轴承或点铰支承中间支撑，或两种支护形式交替使用。在弯箱半径较大时，中间采用独柱墩与采用双柱墩，虽然弯矩和剪力差别较小，但扭矩有明显差别;（3）通过均布力矩作用在弯箱桥与直线桥是扭矩图的对比，弯箱半径越小传递到端支承的扭矩也越小。
由于互通内的匝道桥宽度一般较小，端支承的间距不大，若存在较大的扭矩将使内侧端支座产生负反力，支座脱空，同时靠近端支承的梁体也要承受较大的扭矩。在多跨连续梁的弯曲半径大时建议不设计箱中独柱墩，尤其在桥宽较宽的直桥上不应设置多个中间的单柱墩。近年来，一些单柱连续梁桥横向倾覆的公路桥梁事故的发生，虽然目前没有相关规定在横向倾覆稳定性，但必须注意。弯箱梁桥的桥墩与直桥相比，其水平力除了同样要车辆荷载制动力、温度力、地震力等外，还多了离心力、预力产生的径向力等;离心力是弯箱桥特有的与桥轴线垂直的水平荷载，在弯箱半径较小时（R≤250m），应计算其作用，则弯箱桥梁的桥墩在横向刚度要比直线桥的要设计的大。弯箱梁桥平面位移有两种设计方法，一是各部分位移都朝向一个设定的固定点，另一种是个部分位移都切与弯箱半径;中墩和边墩不应都设置为活动支座，至少应设置2个中墩多向固定支座。
2 结构设计分析
2.1工程实例
某四跨混凝土弯箱梁桥，跨径布置为（18+21+21+18）m，弯箱为圆弯箱（R=80m）和缓和弯箱的组合，平面图如图1所示，单箱单室截面（图2），梁高1.6m，箱梁顶板宽8.3m，梁底宽3.78m，跨中腹板厚0.45m，支点腹板厚0.70m，采用斜腹板形式，桥墩均为双柱墩，支座中心间距2.2m。
图l 弯箱梁桥平面图
跨中截面图
支座处截面图
图2 箱梁跨中、支座处横截面图（单位：mm）。
2.2弯箱梁桥的设计研究
（1）弯箱梁桥的平纵横布置。弯箱梁桥的平面和纵断面布置应服从整体线形布置的要求。横断面布置中，为了抵抗梁截面的弯矩和扭矩，宜采用箱形截面。梁高通常取同等跨径的直线桥梁高，并适当加厚腹板，以增大其抗扭刚度。
（2）配筋设计。弯箱梁桥的最大跨径为21m，采用普通钢筋混凝土结构。钢筋不但要承受弯矩和剪力的作用，还要承受扭转作用。此外，还需要设置一定的构造钢筋。
（3）支承方式的选择。弯箱梁桥中梁端的桥台或者墩顶一般采用两点或多点支承以提高稳定性。中墩的支承方式可以采用双柱墩、矩形墩双支座以及独柱墩的形式。但考虑到仅梁端设置抗扭支座时，全联的扭矩将大部分集中分布在梁端，梁端出现过大的扭矩，导致曲梁内侧支座脱空，且独柱支座墩在偏载情况下容易发生倾覆现象，本算例中墩最终采用双支座，以分担部分扭矩，避免梁端扭矩过大。
表1 不设置支座偏心时的支座反力kN
（4）支座偏心设计。中墩设置双支座后，梁端的扭矩有所减小，但主梁仍有向外侧倾覆的力矩，对桥梁上下部结构产生不利的影响。通过调整支座偏心值（横向向外偏移）能有效地改善主梁受力，减小支座反力插值，使墩台受力趋于合理。本工程设计考虑支座偏心，计算恒载和标准组合下的支座反力，得出表1和表2所示的结果。从表2和表3可以看出，支座偏心时弯箱梁桥内外侧的反力差值明显小于不设偏心时的反力差，且能使支座不出现负反力。
表2 设置支座偏心时的支座反力kN
3 结语
弯箱梁桥的横向稳定性的弯扭耦合效应的存在，成为设计的关键。合理的结构布局，选择适当的截面，配筋和支座布置，可以有效地提高改善受力状态;在曲线箱梁桥的设计，应尽可能使用双柱墩的设置。采用双轴承支持的可能性可以减少轴承腔，使用更加安全和稳定的桥梁;反力差分设置偏心支撑的合理可明显降低弯箱梁桥的内部和外部，以避免负面反应。
参考文献：
[1]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].
[1]刘效尧徐岳.梁桥（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2011.
[3]张罗溪.连续弯桥的实用计算方法及其扭转性能分析[J].石家庄铁道学院学报，1991，4（2）：15-22.