基于独柱支承的曲线匝道桥梁设计

高代强 耿传鹏

（西安中交远洲工程勘察设计有限公司，陕西 西安 710065）

建设阶段和使用阶段，通常比较重视桥梁使用年限期间安全问题，在建设阶段容易忽视桥梁所面临的各种相关的结构强度，安全，和稳定问题。在二十世纪60年代以前，传统的搭材为圆木、方木、万能杆等重型钢木材料，用这些材料不做计算和设计，但要用掉大量木材和钢材，一般也能满足稳定性要求，工作量和耗资都比较大。事实上，桥梁在其使用年限中，在施工过程中，很少遇到设计中的最大荷载，常因支撑承载力不足，而引发意外的倒塌事故。60年代以后，随着各种新型钢管脚手架的出现，特别是近几年来，工程上逐渐采用了钢管支架支撑。由于受地形，匝道的设计往往受到多种因素限制。地物和占地面积的影响，曲线梁桥在公路立交中应用已非常普遍。这就决定了匝道桥具有以下特点，所以匝道桥的宽度比较窄，匝道有别于主干道，一般匝道多为一或两车道。由于匝道用来实现道路的转向功能，尤其在匝道设计中应用最广。在曲线梁桥下部结构设计时，所以匝道桥多为小半径的曲线梁桥。为改善下部结构布局、减少占用土地、增加视野和桥形美观，在大型立交中匝道的规模有时也在增大，其下部墩往往往采用独柱支承方式。匝道桥往往设置较大纵坡，有时还需跨越主干道，匝道不仅跨越下面的非机动车道，这就增大了匝道桥的长度。必须对其结构受力特点有充分的了解，所以在设计过程中，这种形式的曲线梁桥受力状态较为复杂，全面综合考虑各种因素对主梁及墩柱的不利影响。

1 独柱支承桥梁结构受力特点

曲线梁桥受力特点，由于主梁的平面弯曲使得下部结构墩，是相对于直桥而言的，往的支承点不在同一条直线上，但是在曲线梁桥中，从而造成曲线梁桥的受力状态与直桥有着很大差别。由于自重和预应力荷载作用，预应力钢束径向力产生的扭转作用相当大。所产生的扭矩和扭转变形是不容忽视的，构成了其独有的受力特点，在主梁自重和预应力钢束作用下，对直桥而言，由于荷载是对称的，在大曲率、较大跨径的曲线梁桥中，对主梁并不产生扭矩和扭转变形。主梁组合最大扭矩值有时，由于桥梁下部结构采用独柱支承方式，可达纵向最大弯矩值的50%以上。由于主梁的扭转传递到梁端部时，因此交承点的位置对结构受力尤为重要。会造成端部各支座横向受力分布严重不均，此外由于独柱支承的曲线匝道桥梁中间支点，甚至使支座出现负反力。抗扭能力弱，以增加桥梁的整体稳定性。所以必须在桥梁两端部设置抗扭支承，还有汽车荷载的偏心布置及其行使时的离心力，并增加主梁扭矩和扭转变形。也会造成曲线梁桥向外偏转，必须结合自重，对其在承受纵向弯曲，预应力和汽车活载等荷载，扭转和翘曲作用下，充分考虑其结构的空间受力特点，进行详细的受力分析，才能得到安全可靠的结构设计。综合以上，故在独柱支承的曲线匝道桥梁结构设计中，曲线梁桥受力特点，只采用横向分布简化计算方法，应对其进行全面的整体的空间受力计算分析，不能满足设计要求。

2 支承方式对内力分布影响

曲线梁桥的不同支承方式，根据其结构受力特点一般采用的支承方式，对其上、下部结构内力影响非常大，采用两点或多点支承的支座，在曲线梁桥两端的桥台或盖梁处，这种支承方式可有效地提高主梁的横向抗扭性能，在曲线梁桥的中墩支承处，保证其横向稳定性。可采用的支承形式很多，应根据其跨径、平面曲率、墩柱截面和墩柱高度及预应力钢束作用力，对于中墩支反力接近或超过10000kN，不同来合理地选用支承方式。曲线梁桥可采用单向，墩顶采用方板或圆板橡胶支座，多向活动或固定的盆式支座或球型支座。这种方式适用于中墩支反力10000kN 以下曲线梁桥梁，对梁有较弱的扭转约束，板式橡胶支座能够提供一定的抗扭能力，水平方向容许有剪切变形。这种支座可根据，但是这种支座对主梁的扭转没有约束，受力需要固定或放开某方向的水平约束，根据以往的曲线梁桥设计经验，这时主梁在横向和纵向可自由扭转。对于轻宽的桥和曲线半径较大的曲线梁桥，桥体宽要求主梁增稳定性，由于主梁扭转作用较小，故在中墩宜采用，可采用墩柱与梁固结的支承形式。具有抗扭较强的多柱或多支座，采用双柱中墩，或在选用矩形宽柱上设置双点支承。对于轻窄的桥和曲线半径较小的曲线梁桥，这方式对主梁可提供较大的扭转约束。由于主梁扭转作用的增加，主梁横向扭矩和扭转变形很大。尤其在预应力钢力的作用下，在中墩可采用墩柱与梁固结的结构支承形式。在中墩可采用具有较弱抗扭能力的单点支承的方样，由于桥窄因此易柱墩，可有效降低墩柱的弯短和减小主梁的横向扭转变形。但在选用支承结构形式，这两方式都需对横向支座偏心进行调整。应视墩柱高度不同而确定，我国现行的桥梁规范，经过对几座曲线梁桥破坏的分析，还未对曲线梁桥最大扭转变形作的规定。在设形梁桥时，为保证其安全，最大扭转变形值加以控制。

3 调整支座改善曲线梁桥平衡设计

3.1 平衡设计

平衡设计的原理适用于任何结构体系，这样它才会处于最稳定状态，一个结构首先要到达自身的平衡。才有能力抵抗更不稳定的活荷载，对于曲线梁桥，如果中间各墩的支承位置，情况就不一样了，也像直桥那样布置在桥梁中线上。由于平面曲率的影响，内外梁会产生向上或向下的不均匀变形，曲线梁在自重和预应力荷载作用下，也就是说会使主梁发生扭转变形，是用肉眼能直接观察到的变形，实践证明这种变形是相当大的，有的可使梁端部支座脱空几厘米。反之，再遇到不利的活荷载，当结构本身就处于一种不稳定状态时。虽然有足够的抗扭配筋，在活载作用下这种变形会加大，结构的安全性就会受到挑战，对这种结构如不进行处理，也会造成重大桥梁事故。但是这种情况，其中最经济而又有效的方法，可在设计时采取措施加以避免，就是调整中间交座的横向位置，以使曲线梁达到类似直梁的平衡状态，使支座向与曲梁扭矩相反的方向偏移一定的距离。

3.2 遵循原则

支架支撑形式的选择不是任意的，还要考虑施工要求和施工经验，除了支撑本身的特点外，确保杆部件连接节点规范，工作可靠。传力明确，发展系列化配套产品，使立杆尽可能的承受轴心荷载，以适应不同应用场合和荷载情况的要求。避免或减少荷载的偏心作用，用水平杆和斜杆承受水平力。支架支撑系统的承载力，取决于结构形式，杆件的承载力和节点性能，以及整体的稳定性。若受力不明确，就难以对其安全可靠性做出科学的判断。包括节点的工作状态，用加强整体连接件确保支架支撑的整体稳定性。通过采用定型的杆配件，即受荷后产生过大的水平变位。一般水平杆件定型、实现支架构造尺寸的规范化，垂直和角变位。减少搭设的随意性，立杆任意且杆部件控制在12 种之内。

结论

综合以上，充分考虑其结构的空间受力特点，进行详细的受力分析，才能得到安全可靠的结构设计。故在独柱支承的曲线匝道桥梁结构设计中，曲线梁桥受力特点，只采用横向分布简化计算方法，应对其进行全面的整体的空间受力计算分析，影响曲线梁桥结构的因素很多，还有很多难题尚有待进一步研究。

[1] 邵容光.混凝土弯梁桥[M].北京:人民交通出版社，1997.5.

[2] 孙广华.曲线梁桥计算[M].北京:人民交通出版社，1998.11.

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