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摘要：连续钢箱梁由于具备跨越能力大、施工速度快、可焊性好、容易更换以及施工技术相对比较成熟等突出优势，经常被用于城市立交的匝道橋设计之中。但曲线梁桥的设计分析也较为复杂，近年来曲线梁桥事故时有发生。本文从设计角度出发，介绍了曲线桥梁常见病害及其主要防治措施，针对工程实例探讨钢箱梁桥的受力特点及设计要点。
关键词：曲线；钢箱梁桥；设计要点
引言：
随着我国城市化进程的不断加快，汽车保有量在不断增加，而为了有效保障交通的通畅，减轻车辆拥堵所带来的城市病，在很多大中型城市中都出现了不同规模的立交桥。由于城市用地紧张，地下管线错综复杂，经常会出现小半径曲线钢箱梁桥。曲线梁桥其分析设计过程与一般的桥梁设计相比，具有更大的难度，一旦设计不合理，就有可能在运营阶段带来严重的后果，因此，对该种形式的桥梁设计要点进行探讨具有重要的意义。
一、曲线钢箱梁桥的相关概述
（一）曲线钢箱梁的常见病害及其成因
第一，梁体向曲线外侧径向侧移。曲线梁在汽车荷载的离心力和制动力长期反复作用下容易产生主梁向曲线外侧及汽车制动力方向的水平错位。一般匝道桥都是单向行驶，所以这种作用力总是朝着固定方向，严重时可使主梁滑落。造成这种情况的主要原因是支座布置不合理，全联支承体系抗扭能力及水平向抗滑动能力弱。第二，梁体曲线内侧支座脱空或反力很小。由于弯扭耦合效应，曲线结构会受到很大的扭转作用，同时由于钢梁自重较小，由恒载产生的预压力不大，导致端支座承担的扭矩大，当端横梁宽度不够、支座间距较小时就会出现支座脱空的现象。第三，梁体整体倾覆。钢箱梁较轻，活载占总比重相对于混凝土梁较大，在极限偏载行车工况下可能会出现梁体整体倾覆的现象。现实中经常出现重车列队偏载在一侧行驶或停车的情况，往往设计时无法预料和验算。第四，曲线梁内外侧梁长不同导致受力差异大、变形不协调，容易导致顶底板翘曲变形。钢梁比混凝土梁受温度等影响更加明显。通常，半径越小、桥宽越宽的曲线梁更容易因内外侧腹板梁长不同，引起变形差异并出现顶底板变形不协调而导致的翘曲变形，甚至导致焊缝的破坏、梁体受损。
（二）曲线钢箱梁的主要病害防治措施
第一，在曲线梁桥的中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，应至少设置一个固定支座在桥台或者桥墩处；在支座附近设计纵、横双向限位装置，避免横向径向力引起的和纵向制动力引起的滑移。第二，中墩避免采用单支承，或在条件允许下设置支座预偏心；在端横梁处增加支座间距或支承点个数，增加抗扭能力；采用混凝土压重，避免出现支座脱空。第三，设计过程中验算各工况下极限状态时梁体沿最外侧两个支点抗倾覆的安全系数，预留足够的安全储备。第四，加强横隔板设计。通过加强横隔板间距和刚度来实现各腹板受力的协调性，保证梁体横向刚度和扭转协调，从而避免顶底板的翘曲。
（三）曲线钢箱梁常见支承方式
由于受弯扭耦合效应影响，曲线桥即使在恒载作用下梁体也会承受扭矩。实际设计时，除了选用抗扭性能良好的截面形式外，更有效的方法在于如何减少主梁上承担的扭矩[1]。常见的曲线桥支承方式有四种：①全抗扭支承。梁体在支承处只能弯曲但不能转动。②两端抗扭支承，中间点铰支承。与全抗扭支承的区别在于只在曲线两端过渡墩或桥台处布置抗扭支承，中间墩为单铰支座。梁体在中支点处能弯曲和转动。③混合支承体系。即两端支承，中间同时有单支点铰支承和抗扭支承。④两端抗扭支承，中间墩梁固接。经对比分析，对于多跨小半径连续梁桥，正常情况下支承方式①与②的弯矩及剪力值差别较小，但支承方式①由于减少了受扭跨度，削弱了弯扭耦合效应，因此产生的扭矩要小，分布也较为均匀、合理。支承方式④由于墩对主梁的约束作用，所以轴力、横向剪力和横向弯矩都较大，梁内扭矩也大于支承方式①，但小于②。实际设计时，如果采用支承方式②或者③，通常通过调整中间点铰支承预偏心的方式来调整梁体扭矩的分布。
二、曲线钢箱梁桥设计的实践分析
（一）工程概述
本文所述工程为某省级市的立交桥，主线整体呈“Z”字形，共有4条匝道。由于受到了线形以及桥梁高度的影响，对这主要匝道的设计均采用了曲线连续钢箱梁桥的形式，其中桥面宽度9～10m，单向两车道设计。其中具有代表性的A匝道第一联跨径布置为41+28.6+27.1m，平面位于缓和曲线+R=75m圆曲线+缓和曲线上；B匝道第二联跨径布置为39.9+38.5+40m，平面位于缓和曲线+R=80m圆曲线上
（二）钢箱梁的设计要点
本工程采用双支座即支承方式①来承担扭矩，使曲线桥的扭矩较均匀地分布在曲线连续梁上。对于本工程匝道钢箱梁桥是圆缓、缓直等组合成的复合曲线，其支座反力难以采用一般的曲梁计算理论获得，所以需要通过建立空间有限元分析模型，计算在恒载和活载作用下的支座反力，确保桥梁设计的安全。因曲线梁内外侧腹板梁长差异大，受力和变形不协调，需通过加强横向联系即横隔板来实现变形的协调，本桥在设计时采用2m一道横隔板进行计算。
（三）主要计算结果
目前针对曲线钢箱梁的应力、挠度等分析较多，本文不再赘述，仅从支反力及抗倾覆两个方面进行计算结果分析。
（1）支反力计算
通过计算结果表1可以发现，边墩内外支座反力相差很大，最不利工况下A匝道第一联最小支反力出现在A4#边墩内支座，为148.2kN；B匝道第二联最小支反力出现在B1#边墩内支座，为73.6kN。本立交处于城市繁忙地段，桥墩大多位于道路分隔带内，且桥墩采用独柱花瓶墩，无论桥墩位置还是支座间距都调整余地不大。故本设计采用在边支点附近内灌C50微膨胀混凝土进行压重。压重后边墩内支座最小支反力为307.1kN。
（2）抗倾覆计算
A匝道第一联及B匝道第二联均为三跨钢箱梁，本文对三种倾覆工况进行分析。工况一：倾覆轴为1—2#桥墩外支座连线；工况二：倾覆轴为2—3#桥墩外支座连线；工况三：倾覆轴为3—4#桥墩外支座连线。
三、结语
（一）曲线梁桥由于弯扭耦合效应，使得梁体承受较大的扭矩，同时内侧支座容易出现负反力。目前主要通过梁端压重、增加支座间距、支座设置预偏心等方式进行处理。本文对工程实例进行分析，论证了采用梁端压重可有效减少边墩内支座出现负反力的风险，改善曲线钢箱梁的受力状态。
（二）针对有些采用两端抗扭支承，中间点铰支承的桥梁，通过调整支座预偏心可以改善梁体扭矩的分布，但在实际中尤其施工阶段钢箱梁未形成整体，应加大对梁体的监测，防止过大的扭转导致梁体倾覆。
（三）钢箱梁大部分采用节段拼装施工，即工厂加工预拼装，节段运输至现场焊接形成整体。随着立交线形的日益复杂，大纵坡，小半径钢箱梁越来越多见，由于有超高的设置，对于跨径较大的钢箱梁，可能存在一联里桥面横坡来回变化的情况，这就要求施工单位要有较高的施工水平来保证线形和焊接质量，进而保证曲线钢箱梁的受力能与理论分析接近。
参考文献：
[1]单德山，李乔.高速铁路曲线梁桥的支座布置形式初探[J].东南大学学报（自然科学版）.2005，35（6）：924-929.
[2]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015（10）.
关键词：曲线；钢箱梁桥；设计要点
引言：
随着我国城市化进程的不断加快，汽车保有量在不断增加，而为了有效保障交通的通畅，减轻车辆拥堵所带来的城市病，在很多大中型城市中都出现了不同规模的立交桥。由于城市用地紧张，地下管线错综复杂，经常会出现小半径曲线钢箱梁桥。曲线梁桥其分析设计过程与一般的桥梁设计相比，具有更大的难度，一旦设计不合理，就有可能在运营阶段带来严重的后果，因此，对该种形式的桥梁设计要点进行探讨具有重要的意义。
一、曲线钢箱梁桥的相关概述
（一）曲线钢箱梁的常见病害及其成因
第一，梁体向曲线外侧径向侧移。曲线梁在汽车荷载的离心力和制动力长期反复作用下容易产生主梁向曲线外侧及汽车制动力方向的水平错位。一般匝道桥都是单向行驶，所以这种作用力总是朝着固定方向，严重时可使主梁滑落。造成这种情况的主要原因是支座布置不合理，全联支承体系抗扭能力及水平向抗滑动能力弱。第二，梁体曲线内侧支座脱空或反力很小。由于弯扭耦合效应，曲线结构会受到很大的扭转作用，同时由于钢梁自重较小，由恒载产生的预压力不大，导致端支座承担的扭矩大，当端横梁宽度不够、支座间距较小时就会出现支座脱空的现象。第三，梁体整体倾覆。钢箱梁较轻，活载占总比重相对于混凝土梁较大，在极限偏载行车工况下可能会出现梁体整体倾覆的现象。现实中经常出现重车列队偏载在一侧行驶或停车的情况，往往设计时无法预料和验算。第四，曲线梁内外侧梁长不同导致受力差异大、变形不协调，容易导致顶底板翘曲变形。钢梁比混凝土梁受温度等影响更加明显。通常，半径越小、桥宽越宽的曲线梁更容易因内外侧腹板梁长不同，引起变形差异并出现顶底板变形不协调而导致的翘曲变形，甚至导致焊缝的破坏、梁体受损。
（二）曲线钢箱梁的主要病害防治措施
第一，在曲线梁桥的中墩和桥台处不应全部设置为活动支座，应至少设置一个固定支座在桥台或者桥墩处；在支座附近设计纵、横双向限位装置，避免横向径向力引起的和纵向制动力引起的滑移。第二，中墩避免采用单支承，或在条件允许下设置支座预偏心；在端横梁处增加支座间距或支承点个数，增加抗扭能力；采用混凝土压重，避免出现支座脱空。第三，设计过程中验算各工况下极限状态时梁体沿最外侧两个支点抗倾覆的安全系数，预留足够的安全储备。第四，加强横隔板设计。通过加强横隔板间距和刚度来实现各腹板受力的协调性，保证梁体横向刚度和扭转协调，从而避免顶底板的翘曲。
（三）曲线钢箱梁常见支承方式
由于受弯扭耦合效应影响，曲线桥即使在恒载作用下梁体也会承受扭矩。实际设计时，除了选用抗扭性能良好的截面形式外，更有效的方法在于如何减少主梁上承担的扭矩[1]。常见的曲线桥支承方式有四种：①全抗扭支承。梁体在支承处只能弯曲但不能转动。②两端抗扭支承，中间点铰支承。与全抗扭支承的区别在于只在曲线两端过渡墩或桥台处布置抗扭支承，中间墩为单铰支座。梁体在中支点处能弯曲和转动。③混合支承体系。即两端支承，中间同时有单支点铰支承和抗扭支承。④两端抗扭支承，中间墩梁固接。经对比分析，对于多跨小半径连续梁桥，正常情况下支承方式①与②的弯矩及剪力值差别较小，但支承方式①由于减少了受扭跨度，削弱了弯扭耦合效应，因此产生的扭矩要小，分布也较为均匀、合理。支承方式④由于墩对主梁的约束作用，所以轴力、横向剪力和横向弯矩都较大，梁内扭矩也大于支承方式①，但小于②。实际设计时，如果采用支承方式②或者③，通常通过调整中间点铰支承预偏心的方式来调整梁体扭矩的分布。
二、曲线钢箱梁桥设计的实践分析
（一）工程概述
本文所述工程为某省级市的立交桥，主线整体呈“Z”字形，共有4条匝道。由于受到了线形以及桥梁高度的影响，对这主要匝道的设计均采用了曲线连续钢箱梁桥的形式，其中桥面宽度9～10m，单向两车道设计。其中具有代表性的A匝道第一联跨径布置为41+28.6+27.1m，平面位于缓和曲线+R=75m圆曲线+缓和曲线上；B匝道第二联跨径布置为39.9+38.5+40m，平面位于缓和曲线+R=80m圆曲线上
（二）钢箱梁的设计要点
本工程采用双支座即支承方式①来承担扭矩，使曲线桥的扭矩较均匀地分布在曲线连续梁上。对于本工程匝道钢箱梁桥是圆缓、缓直等组合成的复合曲线，其支座反力难以采用一般的曲梁计算理论获得，所以需要通过建立空间有限元分析模型，计算在恒载和活载作用下的支座反力，确保桥梁设计的安全。因曲线梁内外侧腹板梁长差异大，受力和变形不协调，需通过加强横向联系即横隔板来实现变形的协调，本桥在设计时采用2m一道横隔板进行计算。
（三）主要计算结果
目前针对曲线钢箱梁的应力、挠度等分析较多，本文不再赘述，仅从支反力及抗倾覆两个方面进行计算结果分析。
（1）支反力计算
通过计算结果表1可以发现，边墩内外支座反力相差很大，最不利工况下A匝道第一联最小支反力出现在A4#边墩内支座，为148.2kN；B匝道第二联最小支反力出现在B1#边墩内支座，为73.6kN。本立交处于城市繁忙地段，桥墩大多位于道路分隔带内，且桥墩采用独柱花瓶墩，无论桥墩位置还是支座间距都调整余地不大。故本设计采用在边支点附近内灌C50微膨胀混凝土进行压重。压重后边墩内支座最小支反力为307.1kN。
（2）抗倾覆计算
A匝道第一联及B匝道第二联均为三跨钢箱梁，本文对三种倾覆工况进行分析。工况一：倾覆轴为1—2#桥墩外支座连线；工况二：倾覆轴为2—3#桥墩外支座连线；工况三：倾覆轴为3—4#桥墩外支座连线。
三、结语
（一）曲线梁桥由于弯扭耦合效应，使得梁体承受较大的扭矩，同时内侧支座容易出现负反力。目前主要通过梁端压重、增加支座间距、支座设置预偏心等方式进行处理。本文对工程实例进行分析，论证了采用梁端压重可有效减少边墩内支座出现负反力的风险，改善曲线钢箱梁的受力状态。
（二）针对有些采用两端抗扭支承，中间点铰支承的桥梁，通过调整支座预偏心可以改善梁体扭矩的分布，但在实际中尤其施工阶段钢箱梁未形成整体，应加大对梁体的监测，防止过大的扭转导致梁体倾覆。
（三）钢箱梁大部分采用节段拼装施工，即工厂加工预拼装，节段运输至现场焊接形成整体。随着立交线形的日益复杂，大纵坡，小半径钢箱梁越来越多见，由于有超高的设置，对于跨径较大的钢箱梁，可能存在一联里桥面横坡来回变化的情况，这就要求施工单位要有较高的施工水平来保证线形和焊接质量，进而保证曲线钢箱梁的受力能与理论分析接近。
参考文献：
[1]单德山，李乔.高速铁路曲线梁桥的支座布置形式初探[J].东南大学学报（自然科学版）.2005，35（6）：924-929.
[2]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015（10）.