摘要：总结了曲线梁桥的受力特点和关键问题，主要是弯扭耦合效应下结构呈现出来的受力行为。针对小半径曲线梁桥的设计，从线形设计与优化、宽跨比设计、断面设计与构造、支撑方式选择等方面，详细讨论了设计要点和构造处理方法，提高小半径曲线梁桥的设计安全性与稳定性。
关键词：桥梁工程；施工；安全问题；稳定性；管理措施
1前言
在我国公路建设迅速发展的背景下，桥梁的设计线形需要更好地适应道路路线规划需求，这使得出现了诸多曲线桥梁结构，特别是城市立交及山区公路的设计建造中，曲线的半径很小。曲线梁具有显著的弯扭耦合特性，即在竖向荷载作用下梁桥不仅发生弯曲变形还有扭转效应，这使得弯桥相对直桥受力更为不利。在施工过程中，曲线梁外侧荷载要高于内侧，导致容易发生翻转引起施工安全，需要采用临时措施确保其稳定；运营过程中，活载作用下内梁卸载外梁超载，会导致支座脱空严重的引起桥梁倾覆失稳，例如近年来国内发生的多起重车作用下曲线梁桥倾覆倒塌事故[1][2]。
因此，需要掌握曲线梁桥的受力特点和荷载传递机理，特别是针对小半径曲线梁桥结构。在设计中针对小半径曲线梁桥提出设计方法与要点，通过构造处理方法确保桥梁的整体稳定性，这对于保障桥梁工程作为公路交通运输的生命线节点非常重要。
2曲线梁桥的受力特点及关键问题
曲线梁桥相对于直桥结构最显著的就是弯扭耦合效应，无论是恒载还是活载作用下，曲线梁呈现出来的荷载传递机理和受力表现型式都与弯扭耦合效应相关。需要指出的是，小曲线梁桥将弯扭耦合效应推到极限状态，过小的曲线半径一方面使得行车安全性难以保证，另一方面使得外梁超载严重而内梁卸载显著，极容易发生横向失稳。
2.1内外梁承载与受力的不均匀性
曲线梁在结构自重荷载作用下，内外梁的弧线长度不同，外梁跨度显著大于内梁，使得外梁在结构自重作用下变形要大于内梁，内外梁变形的不一致性就产生了向外扭转变形的趋势，即弯扭耦合效应。因此，在施工过程中如果是小半径曲线梁桥，起吊和安装过程中如果不进行横向支撑处理，会发生梁体翻转问题，产生施工安全风险。
2.2可变荷载作用下弯扭耦合特性
对于曲线梁桥而言，温度和车辆作用是两个主要可变荷载作用。温度作用下，曲线梁的伸缩特显差别于直线桥，由于内外梁弧线的差别，曲梁在整体升降温作用下不仅有切向伸缩特性，还有径向的爬移特性。例如，整体升温情况下曲梁会发生整体伸长，同时外梁弧长大会出现向外爬移，如果曲线梁的伸缩变形受到限制（伸缩缝堵塞）则会发生伸缩处开裂和更加显著的径向爬移问题，深圳华强立交的滑塌重要的原因是温升作用下的爬移问题。汽车荷载作用下，曲线梁内外所受的荷载集度不同，导致外梁超载内梁卸载，很容易出现不均匀的支座反力分配，当活载负反力大于恒载支反力时，就会发生支座脱空，这是引起弯桥倾覆的核心因素。
2.3横梁设计的重要性
曲线梁桥因为内外梁变形与受力的不一致会产生弯扭耦合效应，而平衡这种不一致最关键的横梁的设计，横梁起到连接内外梁并兼顾两者变形的作用，强大的横梁不仅可以使得内外梁受力的差异减小，还能很好地抵抗扭矩作用。
目前曲线梁设计中基本采用箱梁结构型式，一方面箱梁的整体构造性好，截面抗扭刚度强；另一方面箱梁还能适应不同曲线半径要求，配筋设计更为方便，同时抗畸变效应好。采用箱型断面曲线梁桥结构，仍然需要设计一定数量的横隔梁加强整体效果，同时在配筋方面不仅要设置抗弯和抗扭钢筋，还需要设置预应力防崩钢筋，避免预应力张拉过程中腹板或者底板厚度较小引起崩裂问题。
3小半径曲线梁桥的设计与构造
根据曲线梁桥的受力特点及关键问题分析，对于弯扭耦合非常显著的小半径曲线梁桥结构，需要在曲线线形、桥梁宽跨比、断面构造和支撑型式等方面总结设计要点和方法，设计合理的构造措施。
3.1曲线梁桥线形设计与优化
小半径曲线梁桥往往设置在城市立交和山区环境中，目的是适应路线在小范围的大角度转化。设计小半径曲线梁桥，需要设计好平面和纵面线形[3]。平面线形方面，车辆在小曲线半径的路段上行驶具有显著的离心作用，如果半径设计过小，路面摩擦力不足以提供离心力，容易使得车辆高速行车状态下发生漂移，这极大地不利于行车安全性，因此需要定义最小平面半径。纵面线形方面，坡度结合平面曲线也是交通事故多发地段，一般不宜设计较大的坡度，确保驾驶的安全性满足要求。
根据公路交通事故收集到的相关资料，如图1是换算空间曲线半径与交通事故的相互关系，可以看到交通事故率与线形曲率（半径的倒数）呈现典型的抛物线关系，随着曲线半径的减小，交通事故发生概率快速增长。根据我国高速公路安全服务分级设计标准，当百万车公路交通事故率达到0.65次时，空间曲率指标为0.2899；当百万车公路交通事故率达到0.80次时，空间曲率指标的累积值为0.3283。因此需要根据交通事故控制指标，对最小曲线半径进行限定。
图1.交通事故率与线形曲率的关系图
3.2桥梁宽跨比的设计
桥跨布置是小半径曲线梁桥的关键难点之一。一方面需要控制好边跨和中跨的比例，使得连续梁桥的受力优势能够平衡边中跨受力，一般设计使得边跨和中跨在恒载作用下具有相同的弯矩效应；另一方面，需要控制弯扭耦合效应，将曲线梁桥单跨限制在一定范围，避免弯扭耦合效应过于显著导致运营中出现诸多病害。
宽跨比是影响曲线梁桥弯扭耦合特性的重要参数，因此对于给定桥梁跨径布置的应该设置适宜的桥面宽度，桥面宽度根据交通流量确定，但是对于小半径曲线梁桥而言往往桥面应该设计不超过2车道，过大的宽度将使得外侧车辆拥堵且重载车比例很高的情况下，产生倾覆失稳的问题。
3.3箱梁断面的设计与构造
为了适应曲线梁桥的弯扭耦合作用，采用整体性能好、抗扭能力强、稳定性好的箱梁作为设计断面，可以很好地适应曲线梁受力并提高其跨越能力。根据桥梁的宽度设计，对于单车道和双车道的往往采用整体式单箱单室截面，对于部分桥面宽度超过10m的可以采用单箱多室断面进行设计构造。箱梁设计中，为了提高结构的整体性和抗扭效果，也往往设计横隔梁，加强内外梁体的连接性能和整体性能。
在曲线梁桥的箱梁构造中，预应力的布设对于箱梁受力也有很大的影响。传统的直桥在断面设计中预应力在左右半断面是对称的，这是因为结构特性和荷载在断面上的对称性；对于曲线梁桥而言，荷载在断面上会产生扭转效应，导致左右两个半断面的受力程度其实不同，可以通过下述手段调整预应力设计使得预应力效果能够抵抗部分扭矩作用：①左右半截面的预应力线形设计相同，但是内侧张拉力大于外侧；②左右半截面的预应力线形相同，内侧预应力根数稍大于外侧；③内外侧的预应力钢束线形布置不同，效果使得抵抗外梁超载内梁卸载的截面扭矩。
3.4曲线梁支座布置方式
曲线梁的支座布置方向一般满足如下图2的要点：有一个固定支座，约束平面内所有方向的运动；有一个单向支座，约束平面内某一方向的运动；其他都是双向支座，平面内可以任意运动；方向的设计可以根据笛卡尔坐标设置为纵向和横向，如图2（a），也可以根据曲率坐标设计为径向和法向，如图2（b）。
(a)
(b)
图2.曲线梁支座的布置方向示意图
小半径曲线梁桥往往采用中间点铰的支撑方式，这可以充分利用独柱墩节省下部空间的优势，在城市立交中具有更好的应用价值和美观效果[4]，但需要注意的是采用点铰支撑的独柱墩设计方法，可能存在横向倾覆失稳问题，特别是半径很大的接近直桥的仍然采用中间独柱点铰支撑的，横向倾覆失稳概率大大增加[5]。为规避小半径曲线梁桥因为采用中间点铰支撑带来的横向倾覆失稳问题，可以通过下述两种方式优化。
首先，可以对点铰支撑的支座位置进行偏移设置，因为曲线梁桥的弯扭耦合问题，可以在点铰支撑位置将支座向外梁偏移，这使得可以降低内梁支座脱空概率，同时也可以使得倾覆轴向外梁偏移，降低倾覆失稳概率从；其次，可以设置固结墩的方式，如图3所示，将桥墩与箱梁固定连接，这样使得任意活载作用下墩和桥都是协同变形的，避免了曲线梁横向倾覆失稳问题，但需要解决墩梁固结位置引起的应力集中问题。
(a)支撑 (b)固结
图3.独柱墩与梁体的连接方式示意图
4结论
城市立交和山区公路建设中出现了很多曲线梁桥结构型式，且曲线半径很小。小半径曲线梁桥的弯扭耦合效应非常显著，在恒载和活载作用下具有内外梁受力变形不对等的问题。本文从曲线梁桥线形设计与优化、宽跨比设计、断面设计与构造、支撑方式选择等方面，详细归纳了小半径曲线梁桥的设计要点和构造措施，为类似桥梁的设计提供参考。
参考文献
[1]校飞燕,邢亮,张河锦.小半径曲线梁桥设计要点[J].城市道桥与防洪, 2010(11):39-40.
[2]李志军.小半径曲线预应力箱梁桥设计[J].北方交通,2012(3):88-90.
[3]荣向波,冯超.城市互通立交曲线梁桥的设计要点[J].交通世界,2017(11):112-113.
[4]霍志芳.独柱支承曲线连续梁桥预偏心距设计[J].公路,2007(7):24-30.
[5]邢世玲,张佳,朱利明.独柱混凝土曲线连续梁桥抗倾覆稳定性研究[J].世界桥梁,2017,45(5):33-38.
论文作者:杨再宇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/15
标签：曲线论文; 半径论文; 支座论文; 线形论文; 断面论文; 荷载论文; 预应力论文; 《基层建设》2018年第17期论文;