浅谈弯桥结构的设计与受力分析
张杰
（1余姚市公路管理段，浙江余姚315400）
摘要：在现今公路建设中，部分桥梁在布线时受平面线形的影响而位于平曲线内。针对此情况，本文对弯桥设计中主要考虑的一些因素作出阐述，可供设计人员进行弯桥设计时，作为参考。
1 概述
交通事业的迅猛发展，使国内公路工程建设进入黄金时代。公路等级不断提高，在设计总体布局方面要求桥位确定、桥梁设计应服从路线线形标准设计。所以为了满足布线时的平曲线形指标，就会有部分桥梁在路线总体线形限制下处于曲线段，使桥梁结构类型的选择、结构计算方面难度加大。同时从桥梁美观学考虑，曲线桥梁在整体布置方面要求更高。因此曲线桥梁的设计计算就显得尤为重要。
2 设计理论分析
2.1非重力荷载下平面弯梁的内力及内力横向分配
2.1.1温度变化，混凝土收缩
混凝土收缩可以按规范折算成温度均匀下降来考虑，可引起弯梁桥在水平面内的位移，这类位移属于弧线段膨胀或缩短性质的位移，它只涉及到曲率半径的变化，而圆心角不发生改变。同时温度变化、混凝土收缩使弯梁桥产生的内力，除水平弯矩My、轴向力Nz外，还有径向的水平剪力Qx。
2.1.2弯梁桥水平温度力的特点及其与下部结构的关系
弯梁桥在温度变化时，一般会产生水平内力，特别对于桥越宽、半径越小的弯桥，支座对水平位移的约束越大，水平温度力亦越大，因此弯桥设计中必须考虑这些力。
温度变化使梁在支座上位移的数值很小，在设计弯桥支座时，不要把它的横桥向位移固定死，只要让它发生很小一点横向位移，就可大大减小支座及梁的温度力。
对于弯梁，即使顺桥向布置了足够多的自由滑动支座，梁内仍然可能会有轴向力，这种轴向力是各支座的径向约束力在梁轴切线方向上的分力造成的。
如果弯梁绕铅垂竖轴的转动位移在某个墩台上被固定死，这个墩台可能受到很大的水平转动力矩。当同一个墩台上设置多个制动支座时，将会发生此种情况，故设计时应注意避免。
从以上分析可以得出要减小弯梁桥水平温度力，我们可以采取以下主要措施：
①放松一部分墩台支座的径向约束；
②采用弹性水平约束支座；
③对于环形立交桥，可考虑将环道设计成连续的闭合圆环。
2.1.3太阳照射、支座不均匀沉降
2.1.4预加力和混凝土徐变
此类力将引起切线方向的位移，此时，曲率半径不发生改变，而圆心角却发生改变。
2.2预偏心的问题
2.2.1孙广华的观点
①如果曲线梁桥仅两端具有较强的抗扭约束，而中间各墩是没有抗扭约束的点铰式支座，则可以将各中间支座预设偏心，即将点铰式支座的中心沿半径方向往曲线外侧移动一较小距离（通常在几十厘米），从而大大降低梁端的内扭矩。
②在具有刚性抗扭约束的支座上设置偏心虽不能改善梁内的扭矩，倘若桥墩与梁固结，且墩身较高较柔，预设偏心仍有改善桥梁内力、改善桥墩受力的效果。
③具有点铰式中间支座的弯桥，如果对中间支座设置偏向梁的剪力中心线外侧的适当大小的偏心距，弯梁的内扭矩包络图以及两端桥台受力仍然可以得到改善。
2.2.2邵容光的观点
为了达到扭矩重分布的目的，可利用适当的预偏心距及支点反力所产生的反扭矩以平衡一部分由外荷载产生的作用扭矩。
2.2.3黄剑源、谢旭的观点（《城市高架桥的结构理论与计算方法》）
在独柱式点支承弯桥内，上部结构偏心荷载产生的扭矩不能通过中间点铰支承传至基础，而只能通过两端桥台的抗扭线性支承来传递。在此情况下，中支点的作用只是起到减小弯曲长度的作用，上部结构的全长成为弯桥的受扭跨度。这对于大跨度弯桥，特别是大曲率弯桥会造成上部结构内部产生过大的扭矩，实际上控制了桥梁截面和剪力钢筋的设计。为了减小此项扭矩的影响，比较有效的方法是通过在中间支承设置
抗扭线形支承来缩短弯桥的受扭跨度，例如采用双柱墩或Y形墩等，但是，这样会失去独柱式点支承弯桥在结构布局和美观上的许多优点，引起行车视野的遮挡。
2.3 结构计算分析
2.3.1由于平面圆弧曲杆挠曲与扭转的耦合，不但垂直于弯曲平面的竖向力可以产生弯矩和剪力等内力，竖荷载对曲梁剪力中心线的偏心扭矩也可以产生这些内力。所以，当利用影响线求活荷载产生的最大、最小内力（以及变形、支座受力等）时，需要两条纵向影响线，一条是单位竖向集中力P=1产生的，一条是单位集中扭矩T=1产生的。但经过理论与实践证明：曲线梁桥的弯矩和剪力，主要是由荷载的竖向力效应引起的，荷载的扭矩效应所占比例很小。所以要计算活荷载产生的最大最小弯矩、最大最小剪力时，只要按P=1的影响线寻找最不利加载位置就可以了。
为了求得曲线梁桥的最大、最小扭矩，应当按TzT影响线来决定活荷载的最不利位置。同样的分析方法可以用于跨中位移、支座受力影响线，为了求得跨中的最大挠度、支座受到的最大竖向力Vs、支座受到的最大力矩Ms，应按照P=1影响线确定活荷载位置。为了求得跨中最大扭转角、支座受到最大力矩Ts ，应按照T=1影响线确定活荷载位置。2.3.2 k= （EI）／（GId）―弯扭刚度比
对于曲线梁桥来讲，k值越大，则由于曲率因素而导致的扭转变形显着增大。因此，对于弯梁桥而言，在满足竖向变形的（抗弯刚度EI）的前提下，宜尽可能地减小EI值，增大GId值。因而低高度和箱形（封闭
形）截面是合理的横截面形式。
3 总结
3.3.1弯桥异以直线桥梁受力的主要因素为：圆心角（反映主梁的弯曲程度）、桥梁宽度与曲率半径之比、弯扭刚度比、扇形惯性矩EI。设计时对于以上因素综合分析，以确保计算的精度。
3.3.2弯桥最主要的受力特点是梁截面在发生竖向弯曲时，由于曲率的影响，将产生扭转，使梁发生挠曲变形，即为弯-扭耦合作用。解决曲线梁弯扭耦合所带来的抗扭问题,除了考虑抗扭约束外,还可以从如下方面入手①是通过偏心支承,利用主梁自身恒载调整主梁扭矩分布②二是通过预应力,合理布置调整主梁扭矩分布。
3.3.3实际设计中多用双柱墩提供抗扭支承,而用独柱墩通过预设支座偏心调整主梁扭距分布。这种经济、合理的措施在城市高架桥,特别是曲线匝道的设计中被广泛应用。但独柱墩在偏载作用下常常容易产生支座脱空及梁体倾斜等安全隐患，所以设计者应对此类结构桥梁进行偏载条件下进行空间有限元分析,以确保结构安全，并在此基础上采取必要的结构措施。