小半径曲线预应力砼箱梁计算分析
摘要：文章通过一座预应力砼曲线梁桥实例，详细介绍了小半径曲线梁桥的结构受力特性，对小半径曲线梁桥设计过程中普遍存在的问题和加固方案进行了简述，希望可以为同行人士提供参考。
关键词：曲线梁桥；计算分析；加固方案
1、引言
随着国民经济和社会的发展，公路和城市中大量兴建互通式立交桥，由于受到交通功能的要求和地形条件的限制，立交桥上诸多匝道桥采用曲线构造。这些桥梁线型变化多端，结构受力比较复杂，特别是小半径曲线梁桥，设计中应予以重视。
2、曲线梁桥特点
小半径曲线梁桥主要有以下几个特点：
1）由于曲率的关系，垂直荷载作用在曲线梁上时，同时产生弯矩、剪力和扭矩，并彼此互为影响，在曲线梁桥上的竖向挠度为弯曲与扭转两者竖向挠度的迭加。
2）通常桥梁宽度与曲率半径之比增长越大，则箱梁断面内力之差就越大。
3）对于曲线梁桥，由于扭矩的作用，曲线外侧腹板内力大于内侧腹板，做单梁模型计算分析时应考虑足够的安全系数。
4）曲线桥与一般直线桥相比，需要加大箱梁横向刚度，增加横梁构造。
5）曲线梁桥的反力与直线梁桥相比，有外梁变大，内梁变小的趋势，因此在内梁中有产生负反力的可能。
6）下部受力计算复杂，由于内外侧支座反力相差较大，使各墩柱所受垂直力也不同，弯桥下部结构墩顶水平力，除了与直桥一样有制动力、温度变化引起的内力、地震力等外，还存在离心力和预应力张拉产生的径向力。
3、设计实例
某立交匝道中3孔1联预应力混凝土连续箱梁，沿道路中心线孔跨布置（34+42+33）m，其平面位于曲线上，道路中心线曲线半径R=66m，横向箱梁中心线距离道路中心线1.75m；箱梁端支座均采用双支座，支座间距3.6m；中间墩一个固结，一个墩顶设单向活动支座，均外偏箱梁中心线0.15m；箱梁平面线形及支座布置见图1。
图1 曲线箱梁平面布置图
3.1 设计标准
荷载标准：公路I级，2车道，40Km/h
3.2 主梁构造
主梁构造为单箱双室截面，梁高1.8m，顶板宽12.2m，底板宽8.057m，悬臂长度1.75m，腹板厚度0.45~0.65 m，顶板厚度0.25m，底板厚度0.22m，梁端支座顶设置端横梁，横梁厚度1.0m，中墩顶设置中横梁，横梁厚度2.2m，每孔箱梁跨中设置厚度0.25m厚横隔板。
3.3 主梁预应力体系
主梁为纵、横双向预应力体系，纵向预应力布置在腹板、底板和顶板内，采用12、9股φs15.2钢绞线，横向预应力布置在端横梁和中横梁内，采用12、19股φs15.2钢绞线，钢绞线强度fpk=1860Mpa,Ep=1.95x105Mpa，钢绞线锚下张拉控制应力均为1395Mpa。
箱梁截面及配束见图2。
图2 箱梁跨中截面及钢束布置
4、计算与分析
上部结构依照现行规范按部分预应力混凝土A类构件设计。采用平面杆系分析时得主梁检算均符合规范要求。箱梁再采用空间杆系程序“midas civil 2010”模拟各施工阶段及使用阶段进行计算。通过与平面杆系程序计算结果对比，得到
曲线梁设计要点。建立模型时考虑墩身刚度的有利影响，空间分析模型见图3。
图3 空间梁单元分析模型
计算中考虑的荷载：恒载(包括一期恒载和二期恒载)、预应力、汽车荷载、温度变化力、基础变位影响力、混凝土收缩徐变影响力、内外侧弧长不同引起的恒载弯矩等。
4.1 主梁计算结果
计算结果显示，按现行规范，与平面杆系程序计算相同的箱梁截面各项应力对比。
主梁跨中正截面应力相差较小，两个程序计算结果基本一致。
中支点截面应力相差较大，空间程序中考虑了扭转效应在角点位置应力相差明显。截面应力如图4。
（a）平面单元中跨范围内上缘应力包络图 (MPa)
（b）空间单元中跨范围内左侧上缘应力包络图 (MPa)
（c）空间单元中跨范围内右侧上缘应力包络图 (MPa)
图4 中跨截面上缘应力计算图示
4.2 截面抗扭及支座反力
平面杆系计算中截面的扭矩和支座反力无法直接反映出来，易造成设计中检算项目遗漏，现以空间杆系程序计算并对比分析。
1）截面扭矩。较大扭矩主要发生在边跨靠端横梁附近和中跨靠中横梁附近，检算部分截面抗扭强度不能通过，主要集中在中跨较大扭矩区段。与端横梁附近扭矩区段相比此位置截面加厚区段长度较小，截面剪力较大，箍筋配置仅为满足抗剪需要富余不足。进而分项分析截面扭矩组成，以中跨近中墩附近截面（模型中23、36号单元）扭矩列表，见表1。