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山区公路小半径桥梁设计需注意的问题

发表时间：2020/1/13 来源：《防护工程》2019年18期作者：赵飞

[导读] 曲线梁桥的横隔板设置应加强，并缩小悬臂宽度，以增加主梁抗扭性。小半径梁桥受力比较复杂，设计过程中应多加注意。

北京交科公路勘察设计研究院有限公司北京海淀 100000
　　摘要：西藏东南部地区公路项目多处于高山峡谷之中，桥梁多为小半径曲线桥梁，本文针对山区公路小半径桥梁设计过程中结构受力不利原理以及支座脱空、梁板整体向外侧移以及主梁横向裂缝和腹板斜裂缝等病害问题进行了探讨与研究，希望能对山区公路小半径桥梁设计具有一定的借鉴意义。
　　关键词：山区；公路；小半径桥梁
　　
　　
　　1、概述
　　长期以来，西部交通基础建设严重落后，成为制约西部经济发展的一个“瓶颈”。因此，中央在做出西部大开发的重大举措时，提出“交通先行，适当超前”的方针，并把交通建设放在西部大开发重中之重的优先地位。西藏地处我国西南边陲，与印度、巴基斯坦、尼泊尔、不丹接壤，同新疆、青海、四川、云南相邻，是我国通往印巴次大陆的战略要冲。本文参考项目地处青藏高原东南部横断山脉，线路上海拔高程1690～4730米，为国家国防公路。沿线地表水系发育，支流众多，从上到下，切割山体，沟谷两侧的山坡陡峻，沟床蜿蜒曲折，河床多呈“Ⅴ”型，河谷坡降大。
　　由于此国防公路大部分路段沿溪线和越岭线，沿溪线中路线依靠山坡布设展线，跨越沟谷次数较多，设置桥梁位置路线线形多为小半径圆曲线和缓和曲线，故大部分桥梁为小半径弯、坡、斜桥梁。针对设计过程中出现的大量的小半径曲线桥梁，针对结构受力特点和经验中易发生的病害情况，提出山区公路小半径桥梁设计过程中的部分优化方案。
　　2、小半径桥梁结构受力不利及产生病害问题分析
　　小半径弯曲桥梁相对于直线桥梁受力情况更加复杂，由于梁体的内外梁受力不均、弯扭耦合作用以及水平力的作用，导致小半径曲线梁桥在运营过程中出现支座脱空、梁板整体向外侧移以及主梁横向裂缝和腹板斜裂缝等病害，严重影响了行车舒适度与安全性。
　　
　　（1）内外梁受力不均
　　由于小半径曲线桥梁内外梁受到明显的扭矩作用，会使内梁卸载、外梁超载，此现象与桥梁宽度有关，桥梁宽度越宽扭矩作用越明显。内梁卸载、外梁超载致使桥梁外边缘弯曲应力大于内边缘，外边缘挠度大于内边缘，内梁和外梁受力不均，反应到梁板上则是内外腹板受力不均。当车辆靠一侧行驶时，内边梁支点甚至可能产生拉应力，导致梁体与支座脱离的问题发生，这就产生了小半径曲线桥梁最普遍的病害——支座脱空现象。
　　（2）弯扭耦合作用
　　相比直线桥梁，小半径桥梁由于在弯扭耦合的作用下会出现综合截面应力较大的问题，特别是在截面扭转以及畸变作用下这一问题更为严重。小半径曲线桥梁在受到强大的扭矩作用，会产生明显的扭转变形，其曲线外侧的竖向挠度也会明显增大。受弯扭耦合作用的影响，桥梁梁端位置会产生向外翘曲变形。因此小半径曲线桥梁在弯扭耦合作用下，桥梁梁板会整体向曲线外侧滑移。
　　（3）水平力作用
　　汽车在小半径曲线上行驶会产生垂直于桥梁水平方向的离心力，另外预应力、混凝土收缩徐变、温度作用以及支座变形不仅会对桥梁产生纵向水平力，也会产生横向水平力。横向水平力会增大梁体截面的扭矩和桥墩弯矩，从而会导致桥梁梁板整体位移和平面范围内的转动。同时梁体截面扭矩和桥墩弯矩增大也会导致梁体内部扭转产生的剪应力、翘曲正应力和畸变应力增大，从而产生主梁横向裂缝和腹板斜裂缝等病害。
　　3、山区公路小半径桥梁设计应注意的问题
　　在山区公路小半径曲线桥梁设计的过程中，应根据其自身的结构受力特点，各个截面处于弯、剪、扭结合的复合受力状态，必须对其进行全面整体的空间受力分析。

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应对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲变形作用下，结合自重、预应力、温度和活载等荷载进行详细的受力分析，结合其受力特点，对结构受力薄弱环节进行加强设计，采用有效解决支座脱空、梁板滑移以及主梁横向裂缝和腹板斜裂缝等病害的发生。针对本项目的特点，下面将对山区公路小半径桥梁设计中应注意问题列举以下几个方面：
　　（1）优化桥梁跨径布置
　　在小半径曲线桥梁方案拟定过程中，布跨应合理，有条件时应尽量选用小跨径，分联长度不宜过长，尽量减少曲线曲率的影响，弯桥每跨跨径的大小，与平面曲线半径和梁的支撑约束有很大关系：平面曲线半径大时，跨径可适当加大；平面半径较小时，应适当减小跨径，减少扭矩引起的内力。
　　（2）上部、下部构造选型设计
　　小半径弯桥由于在受力特性方面存在扭矩较大的问题，对于横向倾覆稳定性能力要求较高，因此上部构造优先选用抗扭刚度较大的箱梁为宜。目前公路常用的桥梁上部构造结构形式主要有空心板、T梁和箱梁等形式。本项目为国防公路，为保证战时能迅速恢复交通的保通需要，优先推荐预制结构，且本项目小跨径桥梁较多，桥梁墩高普遍较矮，故本项目上部构造跨径20m以上采用预制预应力钢筋混凝土箱梁，跨径20m以下采用预制预应力混凝土空心板。
　　独柱墩在山区公路设计中具有阻水面积小的优点，在斜交桥梁角度较大时应用较多，但独柱墩抗扭性能很差，应在小半径曲线桥梁设计中加以避免，应优先选用双柱墩。对于横向坡度较陡的桥梁，可能造成两侧墩柱高差较大，为保护原地形稳定性和尽量少破坏原地形，可适当减小柱间距，或采用高低墩设计，但高低墩两侧墩柱高差不宜大于4m。
　　（3）针对病害整体性优化设计
　　为了防止桥梁支座脱空、梁板整体向外侧移以及主梁横向裂缝和腹板斜裂缝病害的发生，应对小半径曲线桥梁受力簿弱环节进行加强设计。
　　小半径弯桥的内外梁受力不均，外梁超载、内梁卸载，出现支座脱空的现象，这种情况严重危害了行车安全。桥梁中支座是联系上部结构和下部结构的重要构件，它是梁体与桥墩台支撑处设置的传力装置。支座脱空后，其本身应该承受的上部结构荷载，转移到相邻支座，使相邻支座局部承压增加而剪切破坏。为避免支座脱空的病害发生，应合理布置支撑，对于扭矩较大的桥梁，应在两端桥台处设置抗扭支座。合理布置单向活动支座的位移方向，中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，应至少设置一个中墩多向固定支座，在桥台于主梁侧面宜设置单向活动支座或设置防侧滑装置。在设计过程中应结合盖梁横坡准确计算垫石顶标高，确保每一片梁板的四个支撑点高程正确无误。
　　由于弯扭耦合作用，导致梁板整体向曲线外侧移，压迫桥台桥墩挡块，应在设计过程中加强梁板的整体性设计。对于小跨径预应力钢筋混凝土箱梁和T梁，除在支承处和跨中设置横隔板外，在其余部分例如1/4跨和3/4跨也可设置横隔板，利用上部构造梁板的整体受力，增强梁板抵抗扭矩作用的能力。对于预应力钢筋混凝土空心板，除了对铰缝处梁板进行凿毛外，还可在空心板预制时，按1m一道在铰缝的侧模嵌上500mm长的φ6钢筋，形成6mm凹凸不平的粗糙面，使铰缝混凝土与预制空心板能更有效的结合。增加梁板的整体性，可有效的抵抗扭矩作用，有效解决梁板侧移现象的发生。
　　由于水平力和弯扭耦合等作用结合，导致了小半径桥梁内部扭转产生的剪应力、翘曲正应力和畸变应力增大，产生主梁横向裂缝和腹板斜裂缝病害。在进行合理的支承设计和梁板整体性设计的同时，在配筋设计过程中还应充分考虑扭矩效应。与直桥不同，弯桥梁板应在腹板侧面布置较多的受力钢筋，其上下缘钢筋也比同等跨径的直桥多，另外除布设抗剪钢筋外，还应配置较多的抗扭箍筋。
　　4、结语
　　在小半径曲线桥梁结构设计中，应选用空间计算模型进行结构分析，采用合理的支承形式，不能忽视支座脱空问题，要合理布置支座。曲线梁桥的横隔板设置应加强，并缩小悬臂宽度，以增加主梁抗扭性。小半径梁桥受力比较复杂，设计过程中应多加注意。
　　参考文献：
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　　[3]姚莉；小半径桥梁桥型比选及设计要点；交通世界（上旬刊）；2016（4）；68-71.
　　[4]郑兴富；小半径曲线桥梁设计问题的分析；北方交通；2012（5）；88-90.