器桥梁工程 Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 小半径曲线预应力混凝土连续梁桥设计 卢 钢 （北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 １０００５３） 摘要：随着城市建设的逐步加快，城市立交桥工程越来越多。在进行城市立交桥设计过程中，经常会遇到桥梁位于较小 曲线半径上的情况。笔者以丰台区梅市口五环路互通式立交Ｂ匝道桥为例，运用有限元计算软件Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ ２０１２对其 进行了建模和计算分析，为类似桥梁设计提供参考。 关键词：小半径曲线梁桥：荷载效应；支座脱空 中图分类号：Ｕ ４４８．３５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７６７（２０１４）０３—００４４—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｇｉｒｄｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ Ｓｍａｌｌ Ｒａｄｉｕｓ Ｃｕｒｖｅ Ｌｕ Ｇａｎｇ 近年来，随着我国经济迅速发展，城市化建设逐 ２．２主梁结构尺寸 步加快．城市立交桥工程越来越多。小半径曲线梁桥因 由于该匝道桥设计半径较小，跨径较大，设计考 其占地面积小，与周围环境协调性强以及独特的流线 虑在中横梁梁底设置双支座，边横梁拓宽等措施改善 造型而被广泛应用在城市互通立交中｝ｌ＿。笔者结合工 主梁的抗扭及支座内外侧受力等问题（因抗拉支座设 程设计实例，针对小半径曲线梁桥在各种荷载作用下 置较为复杂，该匝道桥设计不予考虑）。第１联上部结构为３２ ｍ＋３２．６１４ ｍ＋３２ ｍ预应力混 的受力特性进行了分析。 １工程概况 凝土连续箱梁。位于半径为３２ｍ的曲线上，梁高１．６ｍ， 五环路互通式立交Ｂ匝道桥位于丰台区梅市口 悬臂宽２．０ ｍ，箱梁顶面宽从９．４５ ｍ渐变至８．４５５ ｍ，底 ４５ ｍ渐变至４．４５５ ｍ。主梁顶板厚３０ ｃｍ，底 （玉泉路一长兴路）五环路互通式立交ＢＫＯ＋１６２．１２９ 面宽从５．（中心桩号）处，桥梁全长２１５．６５６ ｍ。该桥属于由西向北 板厚２２ ｅｍ．采用Ｃ５０混凝土现浇。纵向分别设边支点、 的左转匝道，由主路分流后经苜蓿叶型匝道桥转向北 中支点横梁及跨间横隔梁，分别为２道、２道和９道， 接入Ｅ匝道，在ＢＫＯ＋１１０处上跨南辅路，在ＢＫ０＋２５８ 其中跨间横隔梁每孔均为３道。 处上跨北辅路，净空≥５ ｍ。上跨南辅路位置的匝道曲 第２联上部结构为３０ ｍ＋３１．５ ｍ＋３０．５ ｍ＋２７．０４２ ｍ 线半径为３２ ｍ，上跨北辅路位置的匝道曲线最小半径 预应力混凝土连续箱梁，基本位于直线段中，梁高１．６ ｍ， ０ ｍ。箱梁顶面宽从８．４５ ｍ渐变至９．７ ｍ，底面 为３０ ｍ。桥面宽度在８．５～９．７５ ｍ之间渐变。匝道设 悬臂宽２．４５ ｍ渐变至４．４５５ ｍ。主梁顶板厚３０ ｃｍ，底板厚 计为（３２ ｍ＋３２．６１４ ｍ＋３２ ｍ预应力混凝土连续箱梁）＋ 宽从５．（３０ ｍ＋３１．５ ｍ＋３０．５ ｍ＋２７．０４２ ｍ预应力混凝土连续箱 ２２ ｃ：ｍ，同样采用Ｃ５０混凝土现浇。纵向分别设边支点、 梁）；下部结构采用花瓶板式桥墩，钻孔灌注桩基础。 ２小半径曲线预应力梁桥设计 ２．１设计荷载标准 中支点横梁及跨间横隔梁，分别为２道、３道和１２道， 其中跨间横隔梁每孔均为３道。主梁在大桩号边支点 处箱室两侧各加宽１．５ ｍ。 为增强支点处的抗剪能力，在支点附近，腹板由 ６５ ｅｍ渐变至９０ ｃｍ。为防止边横梁支座脱空，改善边 支点支座受力，主梁在第１联的两侧和第２联的大桩 号侧边支点处箱室两侧各加宽１．５ ｍ。具体断面形式 如图１、２所示 １）桥梁设计荷载：公路一Ｉ级。 ２）地震动峰值加速度：０．１ 。 ３）净空标准：≥５ ｍ。 ４）环境类别：ＩＩ类。 ５）桥梁结构设计基准期：１００年。 ４４，；｝ 救术２０１４Ｎｏ．３（Ｍａｙ）Ｖｏ１．３２ 桥梁工程器 Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 图１ 现浇箱梁标准断面（ａｍ） ● ～一～～～～一～！ 路 一一一 ——～ 导 水槽 ｌ ＝蝥 襄 ｌ ８０ ｆ ６８５ 图２现浇箱梁边横梁横断面（ｃｍ） ｌ ８０ ２．３下部结构设计 模型节点共计１３７个，单元１１６个。二期恒载按实际 为了降低主梁的扭矩，该桥桥墩均采用花瓶式桥 内、外侧重量进行加载；整体温度、温度梯度、支座沉 墩，墩顶布置双支座。桥墩断面如图３所示。 降、收缩徐变等均按设计规范添加；移动荷载按内、外 侧车道加载。模型如图４、５所示。 （１４０ ）／２ ０４ｏ — ）／２ ，Ｈ ｒ＿ 。 ０ｌ ｜．一 图４第１联箱梁计算模型 － ≯ 囊 ≥ 图５第２联箱梁计算模型 … ２．５荷载效应计算分析 电 ２．５．１支反力 设计计算按照中墩设计双支座，共用墩拓宽端横 ａ）立面 ｂ）侧面 梁、增大支座间距，得出下列支反力结果，以指导设计， 详见表ｌ。 图３桥墩断面图（ｃｍ） 从表１可以看出，曲线梁桥在恒载作用下共用墩 为了上部结构主梁横向侧移，中墩支座采用抗 （即３号墩）位置处的内外侧支反力偏差较大，外侧支 震盆式固定支座，共用墩采用抗震盆式单项滑动支座。 反力均大于内侧支反力，说明主梁在恒载作用下有向 ２．４模型建立 外翻转的趋势；曲线梁桥在预应力荷载作用下每个桥 结构整体计算采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ ２０１２程序进行三维 墩处外侧支反力均大于内侧支反力．说明在预应力荷 建模。第１联模型节点共计１０７个，单元９０个。第２联 载作用下．主梁同样有向外翻转的趋势；在升温作用 ２０１４￣￥３期（５一）第３２整，；｝荭故术４５ 器桥梁工程 Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 表１支反力汇总表 ０雾 。号墩 ； 一 三 ２ ：ｉ．０ ： 羔 ２ 三 ７号墩 ５７４．１ —－９０．６ １９．６ ７８３．７ １ ４９２．９ ４０３．８ １ １７９．９ ４０３．９ １６３．９ １ ６０５．６ ３００１．７ １ ６８０．２ 下，主梁同样也有向外翻转的趋势。但最终与结构恒 扭承载力为２１ ０００ ｋＮ・ｍ。满足结构抗扭要求。 载组合后各支点位置的支反力均为正值，支座均受压， 从图７可以看出，位于直线段及半径为３０ ｍ曲线 且压力较大，不可能出现支座“脱空”的现象。表明设计 上的第２联主梁的最大扭矩为９ ０６６ ｋＮ・ｉｒｌ，该联的最小 布置的支座位置较为合理。 截面抗扭承载力为１９ ７００ ｋＮ・１ＴＩ。满足结构抗扭要求。 ２．５．２主梁抗扭 ３施工方法及建议 设计考虑到该桥位于小半径曲线上，所以横梁位 该桥第１联位于半径为３２１ＴＩ的曲线上。设计初期 置均采用双支座，以减小主梁扭矩和防止横向失稳。主 考虑到预应力的环形效应和二次效应，分别对分段浇 梁扭矩如图６、７所示。 筑和整体１次浇筑两种施工方法进行了计算分析。经 对比并综合考虑分段浇筑的施工复杂性，最终采用了 整体１次浇筑成形的施工方法。设计中适当增加钢束 的丝数及张拉控制力。 第２联整联基本位于直线段中，只有终点约１孔 位于半径为３０ １ＴＩ的曲线上，所以预应力的环形效应及 图６第１联主梁扭矩 二次效应对其影响较小．因此该联采用整体１次浇筑 成形的施工方法。 建议：在小半径曲线梁桥设计中，内外侧腹板钢 束应采用不等丝布置。在较长联和设计条件允许的情 况下，应尽量采用分段浇筑的施工方法，以降低预应 力在曲线梁桥中的损失＿２ｌ。 ４结论 １）从已建成的小半径曲线梁桥来看，梁端内侧支 从图６可以看出，位于半径为３２ ｒｎ曲线上的第１ 座“脱空”现象比较严重，主要是因为内侧支座反力太 联主梁的最大扭矩为１２ ５００ ｋＮ－ｎｌ，该联的最小截面抗 （下转第５０页） ４６啼荭投求２０１４Ｎｏ．３（Ｍａｙ）Ｖｏ１．３２ 器桥梁工程 Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２．２ 斜拉体系平衡状态分析方法 装位置，先将两半索夹就位合龙，再穿入螺杆并初紧。 对于斜拉桥，主梁和塔可以作为空间杆（梁）单元 在吊索安装张拉完毕、主缆防护前以及成桥后１０个月 （对应于单元坐标系的结点位移及结点力相关的刚度 后，分批次再张拉，并补足螺杆拉力至设计值。 矩阵与位移未知量有关）；斜拉索可以作为空间索单元。 斜拉背索的张拉与主缆施Ｔ和吊杆的张拉相配 如斜拉索与主梁连接点不在主梁截面的水平主惯性轴 合，施工中将５对背索和２３对吊索（杆）分批次逐级 上．而有某一距离时。为了满足斜拉索与主梁问变形协 张拉至设计吨位 调关系，可在假设主梁扭转属于自由扭转的条件下，引 ３．２斜拉部分施工 入刚臂单元。并设置在主梁节段的连接点上，斜拉索同 斜拉索由外向内施工并对称张拉。拉索的施Ｔ方 定到刚臂上。使刚臂在各种因素影响下只发生刚体位 法为：将外套管在拉索的根部先熔接成完整的长度，将 移。刚臂与斜索组成一计算单元，称索面单元，该单元共 １根钢绞线穿过外套管，用卷扬机通过钢绞线把外套管 有１２个位移未知量。即主梁节段连接点６个位移分量 安装固定在组装座内，再把其余的钢绞线逐根穿过外 和斜拉索另一端各有３个位移分量。如另一端锚固在 套管进行组装、张拉、调索等。 塔架上，则后６个位移分量就是塔柱结点的位移分量。 ４结语 在确定索面单元按单元坐标系表示的单元刚度 龙岗大桥是亚洲首座三塔斜拉一自锚式悬索组合 以后，应换算成结构坐标系。一般取索面单元的单元 体系桥，Ｔ程于２００９年９月开Ｔ建设，２０１２年建成通 坐标系与结构坐标系一致，然后与平面计算相似，将单 车。该桥造型新颖、气势雄伟、结构复杂，是桥梁建设史 元刚度矩阵增广，并将对应元素的刚度系数叠加，得到 上富有挑战性的一次尝试。该桥的成功建成，为今后同 空间刚架的结构刚度矩阵及平衡方程式。解出平衡方 类桥梁设计积累了宝贵的经验。＿＿ 程式。得到各结点的位移，并进行回代得到结点力。 ３施工方法 参考文献： ［１］交通部公路规划设计院．Ｊ¨０２５—１９８６公路桥涵钢结构及木 结构设计规范【Ｓ］．北京：人民交通出版社，１９８６． 【２］重庆交通科研设计院．ＪＴＣ厂Ｉ’Ｄ６５—０ｌ一２００７公路斜拉桥设计 细则【Ｓ］．北京：人民交通出版社，１９９６． ３．１ 自锚悬索部分施工 主缆施工采用预制平行钢丝索股法。 单根索股断面呈正六边型，其２个顶点分别置基 准丝和着色丝（着色丝在索股安装时用做检查索股是 否扭绞的标志）。每根索股内的钢丝在全长范围内应保 ［３］张哲．混凝土自锚式悬索桥［Ｍ］．北京：人民交通 版社，２００５： １０－１２． 持平行，不允许出现交叉和扭纹现象，索股内３９７根 ［４】沈锐利．悬索桥主缆系统设计及架设计算方法研究『Ｊ］．土木 钢丝的长度应保证一致，以保证受力均匀。 工程学报，１９９６，２９（２）：３－９． 全部索股安装完毕，进行紧缆，装索夹。索夹安装 收稿日期：２０１３—１２—０５ 时先将其吊至主缆支架处，然后用设备将其调整至安 作者简介：张和，男，工程师，硕士，主要从事长大桥梁结构分析１２作。 （上接第４６页） 置，以降低主梁扭矩。０ 小甚至出现了负值。所以应使内侧支座处于受压状态， 并且要有一定的压力储备。比较有效的办法是控制边 参考文献： 跨跨径，使边跨跨径与中跨跨径比较接近¨３＿。 【１］孙广华．曲线梁桥计算［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９７：５２－ ２）小半径曲线梁桥每联的长度应尽量减小，因为 曲线梁桥的曲率半径越小，联越长，其扭矩会越大。 ８３． 【２］邵容光，夏淦．混凝土弯梁桥［Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９９４： １６—８４． ３）小半径曲线梁桥中各截面处于“弯、剪、扭”的 进行截面设计时，要选用抗扭刚度大的截面形式，比如 强横桥向刚度：在截面发生较大变化的位置，要设渐 变段过渡．以减小应力集中效应＿４＿。 ３］安金星，周渝，杨林鹏．小半径预应力混凝上弯桥结构设计 复合受力状态，其应力分布比直梁复杂得多。因此，在 【之浅谈【Ｊ］．城市道桥与防洪，２０１２（８）：１７５—１７７． ４Ｊ孙广婧，雷晓刚．预应力混凝土曲线粱桥设计［Ｊ］．市政技术， 箱形截面：同时要在桥跨范围内设置一些横隔板，以加 【２００９（Ｓ１）：４３—４６． 收稿日期：２０１３—１１—１８ ４）小半径曲线梁桥应尽量采用双支座或多支座布 作者简介：卢钢，男，工程师，学士，主要从事桥梁设计方面的１二作。 ５０，｛；荭技术２０１４Ｎｏ．３（Ｍａｙ）Ｖｏ１．３２
