混凝土曲线箱梁桥设计探讨

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发布时间：2021-09-19

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混凝土曲线箱梁桥设计探讨
戴少雄，刘志才，李强
(天津市市政工程设计研究院，天津300051)
【摘要】曲线箱梁桥受力复杂，施工和运营过程中常出现各种病害。本文基于实际设计过程，从计算模型
选择、总体控制要点及配筋方法三个方面对混凝土曲线连续箱梁桥的设计方法做了较为系统的探讨：在有限元计
算模型的选取上，剪力一柔性梁格法具有较高的精度，可作为宽跨比偏大的曲线梁桥首选，当宽跨比较小时，可采
用单梁一支座刚臂模型；曲线桥的整体控制尤为重要，其要点是：避免支座脱空、防止结构倾覆、保证梁纵向自由
伸缩及限制梁径向位移；曲线梁是典型的弯、剪、扭共同作用构件，配筋难点在于如何快速配置预应力及将截面上
配置的箍筋、纵向钢筋分解为抗弯、抗剪及抗扭所分担的相应份额。
【关键词】曲线箱梁桥；计算模型；支座脱空；抗倾覆；径向位移；配筋设计
【中图分类号】TU375．1 【文献标识码】B 【文章编号】1001—6864(2015)05—0079—04
在城市互通式立交匝道、高架桥等设计中，由于道路
线形的需要，曲线桥被大量采用。曲线桥最主要的受
力特点是“弯一扭”耦合，结构重力作用下也会产生比
较大的扭矩，其扭矩设计值比同跨径直线桥大得多，
故常采用抗扭刚度大的混凝土箱形截面。跨径较小
时(一般中跨小于25m时)，采用钢筋混凝土连续箱
梁；跨径较大时，则采用预应力混凝土连续箱梁。近
年来，曲线箱梁在使用过程中出现了不少病害，如结
构倾覆、支座脱空、梁爬移、腹板开裂等，有必要对
其设计方法进行详细研究。本文从实际设计的角度
出发，对混凝土曲线箱梁的有限元分析方法、整体控
制要点及配筋设计细节进行了系统的探讨。
1 有限元计算模型选取
对于曲线箱梁的有限元分析，目前主要有三种方
法：①板单元、实体单元模型；②剪力一柔性梁格法；
③ 单梁+支座刚臂法。
1．1 板单元、实体单元模型
用板单元、实体单元模拟，与曲梁结构最接近，剪
力滞效应、截面的约束扭转翘曲、畸变横桥向挠曲、畸
变纵桥向翘曲均能自动考虑，查看结果时可以输出三
维的位移及应力分布。但公路桥规中关于抗弯、抗
剪、抗扭强度的计算公式都是依据大量梁的试验资料
建立起来的半理论半经验公式，要按规范的强度公式
计算就必须知道断面上的内力。板单元、实体单元不
能直接输出内力值，变相的做法取出截面上一小部分
节点的应力，积分得到内力。另外板、实体单元模型
一般采用大型通用有限元程序建立，预应力效应分析
比较繁琐，混凝土收缩徐变也难以考虑，移动荷载分
析时，最不利加载位置往往凭经验或者通过相应的杆
系计算找出。因其诸多不便，板单元、实体单元主要
用来做结构的局部受力分析或专项研究(如剪力滞)，
结构整体计算仍采用杆系完成。
1。2 剪力一柔性梁格法
剪力一柔性梁格法即采用纵横向交织的等效梁
格体系来替代实际曲梁结构。当梁格划分得比较细
时，采用直梁单元的折线形梁格精度并不比曲杆梁格
低，而直梁单元的计算工作量小得多，所以一般都采
用直梁单元。混凝土结构翘曲影响较小，单个直梁单
元常忽略自身的翘曲，但作为梁格整体，截面的剪力
滞、翘曲、畸变都是近似考虑了的。梁格法计算精度
高，可直接输出各项内力，便于按规范进行强度验算。
其缺点在于工作量大，需手工准备大量几何参数。采
用梁格法，应使划分以后的各工形截面形心大致在同
一高度，且每根工字梁抗弯截面特性应绕整体截面的
主轴来计算，抗扭惯矩不应按开口截面分析，可近似
取为顶、底板联合自由抗扭惯矩，具体公式可参考文
献 J；结构抗弯、抗剪强度验算均可按梁格中的单根
梁进行，但依据公路桥规(JTG D62—2004)第5．5条，
抗扭强度验算须按整个闭合箱形截面验算，截面的总
扭矩为各纵梁扭矩与纵梁剪力不平衡项对梁轴线扭
矩的代数和，而不仅仅是各纵梁扭矩之和。
1．3 单梁一支座刚臂法
单弯一支座刚臂法最简单实用，输出结果中的内
力即规范强度验算公式中的荷载效应设计值。其缺
点主要表现在：采用刚性截面假定，不考虑翘曲、畸
变；未计及各腹板弧长之间的差异。目前城市立交的
匝道弯桥一般不超过3车道，桥宽大致在12m以内，
宽跨比B／L不大于0．5，刚性截面假定基本可以保证。
对于曲线桥，由于“弯一扭”耦合，恒载和汽车作用均
会产生扭矩，结构发生约束扭转翘曲。混凝土结构
中，翘曲正应力与按自由扭转理论得