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曲线梁桥安全设计应注意的问题 孙广华

近年来,国内常有曲线梁桥在施工中或建成后发生事故。笔者所见的事故主要可分为两类:
(一) 未能正确分析出曲线梁桥的特有力学现象
(1)未能正确分析出曲线梁桥在温度或预加力作用下的平面弯曲变形和相应的支座水平力,导致支座或支座处混凝土发生破坏;

(2)未能正确分析出曲线梁桥在重力或预加力作用下的挠曲扭转变形,导致扭转变形过大(桥面横坡偏离设计值)或支座脱空;
(二) 设计计算基本正确,但支座设计不当,以致在日照、高温循环作用下发生梁体向曲线外侧滑移。
还有的事故并非是由于曲线梁桥的特点造成的,这里就不讨论它了。
   
曲线梁桥安全设计应注意的问题:
(一) 上部结构方案
(1)“扭转跨径”(指两抗扭墩之间的累计跨长)不宜太长
(2)横截面尺寸选择可与等跨径的直梁桥相同,尽可能选择抗扭刚度较大的箱型截面
(二) 支座设计
(1) 所有中墩支座,尽可能横桥向位移固定,可采用盆式或普通板式橡胶支座
(2) 当桥长较大(如大于100m),梁端支座应能顺桥向自由滑动,横桥向应位移固定,可采用盆式支座,或附加了横桥向位移固定装置的四氟板橡胶支座;此外,梁端间隙和伸缩缝构造,应保证在最大升温条件下,梁能够不受阻碍地自由伸缩变形;当桥长较小时,梁端支座可以采用普通板式橡胶支座。“梁端设普通板式橡胶支座、所有中墩设横桥向自由滑动的盆式支座”,对曲线梁桥是危险的,应绝对避免。
(3) 当曲线梁桥比较宽、各墩也较宽时,应注意温度变化时由于曲线梁水平弯曲变形在墩顶产生的横桥向水平作用力可能会比较大,尤其是当所有中墩支座均为横桥向位移固定的盆式支座时。温度变化时横桥向水平的量通常很小,如果梁较宽、墩较刚,采用普通板式橡胶支座,可能是减小横桥向水平温度力的好办法,下面(4)也提供了一个解决办法。
(4)   关于滑动支座的滑动方向,有一种观点认为:当温度变化时,曲线梁均匀地放大或缩小,各墩上的支座,应当沿着从某一固定支座出发的射线方向移动,因此,滑动支座的滑动方向应当沿着射线方向设置,下图所示。

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      按照这种观点设置钢索,可以保证温度变化不至产生支座水平力。但是在实践上有问题。第一,在梁端伸缩缝位置,如果梁发生横桥向过大的水平位移分量,伸缩缝构造将发生破坏,还可能对全梁的扭转变形以至内力造成不利影响;第二,曲线梁在水平面内是弹性的,混凝土墩柱也是弹性的,许多情况下可以通过支座约束梁的位移,使它只在规定的方向上滑动。

(三) 计算
以上所说主要是些原则,很难用数字来界定。有一种说法:“当曲线梁桥的半径大于??或者圆心角小于??时可以当作直线梁桥来设计”,笔者认为这种说法是有害的。曲线梁桥的特殊力学现象是由桥长、跨长、半径、墩台、支座共同决定的。不管半径多大,都必须按照曲线梁桥认真正确地计算。
(1) 要观察扭矩包络图,尽量使扭矩包络图在梁端处的最大正扭矩与最小负扭矩绝对值大致相等,目的是使梁端左右支座竖向力大致相等。对于中墩为独柱、单支座情况,扭矩包络图是试算法确定中墩预设偏心量的必须工具。没有扭矩包络图的计算手段,是很不完善的。应用本程序,在“使用荷载计算”时通过预设偏心得到了较理想的扭矩包络图以后,在“预应力计算”时还应再观察扭矩包络图,如果不理想,则应从“使用荷载计算”开始,重新预设偏心,调整扭矩包络图。
(2) 理想的扭矩包络图能使梁端左右支座竖向力大致相等,不能保证不出现负反力,因此还要观察支座竖向力。支座竖向受力不仅要大于0,而且要有一定的安全储备,因为任何计算都是有误差的。笔者程序有“检查支座负反力”菜单项,可列出所有支座的最不利竖向受力。
(3) 要观察支座的最大水平受力和梁相对支座的最大水平位移,以判断支座能否承受。普通板式橡胶支座不应当受到大于其剪切变形所能允许的水平位移。
(4) 曲线梁桥不仅要设预拱度,还要设预扭转角。预扭转角不仅要在跨中设,支点截面也要设。笔者程序有“检查扭转角”菜单项,可列出所有跨中、支点截面的恒载、活载扭转角。
(5) 当曲线梁桥的水平弯曲半径比较小时,对曲线内侧的钢索要进行侧向崩出(即冲切破坏)强度验算。

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