坡橋坡橋的設計
概述
自80 年代開始特別是 90 年代以來隨著高速公路及其它高等級公路的迅猛發展 ,要求公路設計特別注意線形美觀, 因而出現很多斜彎坡橋。斜彎坡橋其設計基本原理與普通橋樑並無多大差別, 但由於其形狀的特殊性使許多設計者感到非常棘手 , 將著重討論該方面的設計, 供同行商榷。
1“斜”橋的設計
所謂“斜”即路線走向與被交叉物(河流 、道路)不是垂直交叉, 處理斜橋通常有下述三種做法 。
a .斜橋斜做, 即橋樑的墩檯布置平行於被交叉物。
b .斜橋正做 ,即橋樑的墩檯布置垂直於路線走向,但不平行被交叉物,與被交叉物存在一個交角 。
c .改移河流或道路。除上述處理辦法以外, 高速公路上下行橋樑還有一種做法為斜橋正做, 錯位布置 :即橋樑墩台採用獨柱式 ,通過調整上部構造的跨徑使上下行墩台與被交叉物平行亦與路線正交。
2“彎”橋的設計
所謂“彎”即橋樑所在位置位於路線的平面曲線上。處理彎橋通常有下列做法。
a .彎橋直做:將位於曲線上橋樑做成直線形,各墩台平行布置, 計算出起終點弦線與弧線之間的最大差值,根據實際情況可適當移動橋樑中心線 ,通過調整上部構造的寬度及防撞欄桿寬度使之滿足路線平面線形的要求。該種方法適用於總長度較小的橋樑。
b .彎橋折做 :將位於曲線上橋樑做成折線形,通過調整防撞欄桿的寬度使之滿足路線平面線形的要求。該種方法適用於單跨較小但總長度較大的橋樑。採用這種做法時若橋樑總長度過大則墩台不宜平行布置,而改為採用放射狀的扇形布置方法, 這時上部構造的長度會略有不同 ,設計採用了兩種方法處理:①上部構造預製為等長度 ,通過現澆端部砼解決 ;②直接按計算的長度預製構件。
c .彎橋彎做:將位於曲線上橋樑直接做成符合路線平曲線要求的線形 , 這種方法適用於較大距徑橋樑,通常採用現澆的施工方法 ,其結果計算較為複雜 ,應採用 SAP 或其它結構計算程式進行分析計算 ,在此不再詳述 。
3“坡”橋的設計
橋樑一般均設有縱坡, 這裡所謂“坡橋”主要指位於較大縱坡路線上的橋樑。對於拱橋橋樑則可採用拱腳平置,通過腹拱或調節拱上填料自重解決;而對於一般的板梁橋則通過採用調整墩、台標高和支座形式(如球冠支座)解決 。上面提及了單個問題的處理方法 , 對於斜彎坡橋的綜合處理則應結合實際情況同時採取多種辦法進行 ,本文對此不再詳述 ,下面僅就斜彎坡橋單梁多個支座的標高計算說明一下:計算時首先應明確每個支座對應的路線樁號及偏離設計標高點的距離 ,按路線縱坡(豎曲線)及超高情況分別計算出每個支座點的設計標高, 取每個支座設計標高的平均值減去建築高度(含鋪裝等)即為支座頂面標高 ,並應繪製詳細的支座標高平面布置圖。總之,斜彎坡橋設計是一個較不繁瑣的過程 ,需要設計者結合實際認真分析 ,仔細研究,這樣才能做出優秀的設計來。
4 橋型方案比選
a .方案一。採用淨跨達180 的主跨跨越水庫,墩台基礎數量最少,斜腿採用勁性模板現澆施工,主梁邊跨支架現澆施工, 中跨懸臂澆築施工, 工藝成熟, 橋樑整體性好,全橋僅在橋台處設定伸縮縫,使用較好, 受力條件好, 結構輕巧美觀, 造價適中。缺點是斜腿聯結處受力複雜,特別是斜腿鋼鉸支座存在較難解決的防腐問題及施工階段邊跨需臨時描固。
b .方案二。岸坡範圍採用13 m 小跨,中間深水庫區採用大距徑鋼管砼中承拱, 橋墩布置協調。鋼管拱橋採用纜索吊裝,主跨橋面系和13 m空心板採用預製結構,可利用纜索吊運安裝,工藝成熟, 結構美觀。其不足之處是全橋有兩條拱肋占用了4 m 的橋面寬度,加之鋼結構造價較高, 本方案預製工作量大,工序較多, 導致全橋造價最高, 同時全橋設定4 條伸縮縫,養護工作量稍大,使用效果稍差。
c .方案三。岸坡範圍內採用小跨徑的連續剛構, 中間深水庫區採用180 m大跨徑懸臂桁架跨過,橋跨布置協調, 全橋採用人字桅桿吊運拼裝, 工藝成熟簡單, 造價較低。其不足之處是整體性稍差,同時全橋設定4 條伸縮縫,養護工作量稍大,使用效果稍差。經綜合比較, 方案一作為酉水河王村特大橋的推薦方案。
5 結論
斜腿剛構的結構特點是具有保持連續的優點, 又具有拱式結構的產生軸向推力,產生免費預應力的好處,同時又避免了兩者的缺點。王村特大橋的設計中選擇斜腿剛構方案符合這一橋型的特徵要求。本橋在施工圖設計階段,考慮到鋼鉸長期受洪水淹沒帶來的防護問題及斜腿施工的困難,根據詳測的資料和工程地質條件, 最終採用了200 m的中承式鋼管拱方案。
車載回響分析
概述
隨著我國公路建設的快速發展，橋樑結構建設理念正由過去“路線走向服從於橋樑”逐漸被“任何地方都可以建設橋樑”所取代。在這種理念和形勢下，一些異形橋樑應運而生，特別是近年來在我國西部山區建造一些多跨徑、長縱坡的坡橋。
雖然我國在山區橋樑建設上取得了不俗的成果，但是相對於普通橋樑，對坡橋結構在理論及工程實踐方面的研究仍然相對不足，例如在運行使用過程中，坡橋的主梁會發生滑移、支座、擋塊破損等現象。究其原因，一方面是由於目前我國重載車輛數量逐年增加且超重現象普遍；另外一方面設計和施工對坡橋的研究特別是動力作用機理並不充分，造成了一些坡橋橋樑支座設定不合理。目前專家學者們對於橋樑結構動力研究分析更多是集中在橋樑結構跨徑、結構的固有頻率、橋面平順情況、車輛速度以及車輛內部各部件之間相互作用等方面，很少研究坡橋的動力特性，關於坡橋的車載動力回響及衝擊係數的研究更少。因此開展坡橋動力特性及車載回響的研究分析，為坡橋橋樑結構的動力評估及可持續發展提供依據和參考，具有較重要的工程套用價值。
1 坡橋坡度選取
對於公路橋樑縱坡坡度設定範圍，《公路橋涵設計通用規範》（JTGD60—2004）中規定橋樑縱坡應不超過4%，《城市橋樑設計規範》（CJJ11—2011）規定橋樑縱坡設計最小不宜小於0．3%，最大縱坡坡度設定應該符合《城市道路設計規範》（CJJ37—2012）的規定（不超過8%）。故文中選取常用的0～6%坡度進行研究，在研究橋樑縱坡變化時，始終保持主梁長度不變，只是旋轉角度。
2 橋樑計算模型
2．1 簡支梁
這裡以跨徑為20m的某簡支板空心板橋為例進行研究，該橋橋面寬度為10．25m+2×0．5m，梁高0．95m，採用C40混凝土。在實際坡橋中，橋樑支座一般通過楔形塊水平放置在橋台或橋墩上，此時支座提供垂直向上的反力。但有時由於楔形塊製造或安裝誤差，這時支座提供垂直於梁軸線方向的支反力。故有限元模型中，考慮了橋樑兩端不同的支座約束方式。對於橋樑支座水平設定時考慮四種模式的約束方式，即模式一：橋樑兩端採用 D 、 D 、 D 、 R 、 R 的約束方式；模式二：橋樑兩端均採用 D 、 D 、 R 、 R 的約束方式；模式三：在橋樑低端支座約束 D 、 D 、 R 、 R ，另一端支座約束 D 、 D 、 D 、 R 、 R ；模式四為在橋樑低端支座約束 D 、 D 、 D 、 R 、 R ，另一端支座約束 D 、 D 、 R 、 R 。對於橋樑支座垂直主梁方向設定時也採用以上4種模式的約束方式。
2．2 連續梁
為了研究連續梁坡橋的自振特性，選取4×25m的單向縱坡連續梁為研究對象，其橋樑寬度為19．5m，橋樑主梁採用C50混凝土，其箱梁橋樑梁高140cm，其橫截面如圖3所示。採用梁格系進行上部結構建模，在橋樑模型中間處支座約束為 D 、 D 、 D 、 R 、 R ，其餘處支座約束為 D D z R x R z這裡，仍討論兩種支座設定方向對橋樑頻率的影響：（1）支座水平方向設定；（2）支座垂直主梁方向設定，其支座布置示意如圖4所示。
3 坡橋樑自振特性分析
3．1 簡支梁坡橋坡度的影響分析
（1）隨著橋樑縱坡坡度的不斷增大，橋樑前六階振動形式並未隨坡度增大而發生變化，即橋樑的振型在豎向平面內主要為垂直主梁方向，其方向並不隨坡度變化而變化。
（2）橋樑坡度不斷增大過程中，對稱振型所對應的頻率在減小，反對稱振型所對應的頻率在增大，即：坡橋結構一階頻率逐漸減少，每增加1%，遞減0．0073Hz左右；坡橋結構二階頻率逐漸增大，坡度每增加1%增加0．004Hz左右；坡橋結構三階頻率逐漸增大，且每增加1%增加0．066Hz左右；坡橋結構四階頻率逐漸減少，且增加1%遞減0．082Hz左右；坡橋結構五階頻率逐漸增大，且增加1%增加0．03Hz左右；坡橋結構六階頻率逐漸減少，且增加1%遞減0．12Hz左右
（3）雖然橋樑頻率在坡度變化時呈現減少或增大的變化趨勢，但總體來看，每階頻率變化值相對於對應的普通橋頻率來說變化較小。
3．2 簡支梁坡橋支座類型的影響分析
對於簡支坡橋支座類型的設定，一般建議固定支座設定在標高較低的墩台上，另一端採用活動支座。但是實際工程中由於某些原因，出現了將固定支座布置在較高墩台上或者全橋採用固定支座（板式橡膠支座）、全橋採用活動支座（滑動橡膠支座）等現象。為了研究支座類型對橋樑結構頻率及振型的影響，對20m簡支梁中兩種支座設定方式下4種模式進行了動力特性研究。
（1）由於模式一增加了約束，橋樑結構基頻最大，模式二次之，模式三較小，模式四最小，且模式四隨坡度變化規律與以上研究結論吻合；故採用模式四對橋樑結構有利，也就是說對於坡橋結構採用固定支座布置在較低墩台上，另一端採用活動支座的支座布置方式對坡橋結構動力特性有利。
（2）從結構基頻的變化規律來看，在坡橋坡度不斷增大的過程中，模式一橋樑結構基頻未發生變化；模式二、模式三基頻隨著橋樑縱坡坡度的增大而隨之增大；模式四結構基頻隨著坡度的增大逐漸變小，且初始值相比其他3種模式最小，這種受力模式對橋樑結構十分有利。
（3）與按照規範方法計算得到的結構基頻對比時可以發現，模式一明顯大於規範計算值，在實際工程中不建議採用，即簡支坡橋中不宜都採用板式橡膠支座；模式二計算值比規範值小，但模式二由於沒有限制橋樑縱向滑移，在實際過程中由於縱坡的存在會導致橋樑整體滑移，也不利於橋樑結構受力；模式三、模式四模型計算值都比規範值小，從結構基頻在不同坡度下的變化規律來看，模式四對橋樑有利。
3．3 連續梁坡橋坡度影響分析
由於不同坡度下連續梁結構前六階振型的振動形式具有相似性，因此僅給出支座水平設定時坡度6%時振型。
計算結果表明，隨著縱坡坡度逐漸增大，連續梁橋前六階振型的振動形式未發生變化，即橋樑振型不隨縱坡坡度增大而發生變化；另外，由圖7、表3可以看出，連續梁橋坡度在不斷增大的過程中，橋樑前六階頻率不斷減少，但減少的頻率值相對於對應的普通橋頻率很小。當連續梁支座垂直於主梁方向設定時，其振動特徵與支座水平方向的有限元模型十分相似。
在橋樑縱坡坡度不斷增大的過程中，橋樑結構前六階頻率並未隨著坡度增大而發生變化，這種支座設定形式連續梁相當於同種跨徑、同種支座布置形式平橋。說明橋樑支座設定垂直於主梁方向時縱坡坡度變化對橋樑頻率沒有影響。
4 衝擊係數計算分析
4．1 基於規範法衝擊係數結果分析
4．1．1 簡支梁
由於支座垂直於橋樑主梁時橋樑結構基頻不發生變化，故相應的衝擊係數也不發生變化，本文只給出了支座水平方向設定時的衝擊係數。
隨著坡橋縱坡坡度不斷增大，衝擊係數逐漸變小，同時衝擊係數的有限元值與規範值差值逐漸變大；從衝擊係數二者差值來看，衝擊係數的規範值和有限元值有一定誤差，且最大誤差為4．247%，均在5%以內，說明坡橋橋樑縱坡對簡支梁衝擊係數影響很小。
（1）支座水平放置情況下模式一的衝擊係數明顯大於規範計算值，在實際工程中不建議採用，即簡支坡橋中不宜兩端都採用板式橡膠支座；模式二的計算值比規範值小，但模式二由於沒有限制橋樑縱向滑移，在實際過程中由於縱坡的存在會導致橋樑整體滑移，也不利於橋樑結構受力；模式三、模式四的有限元值都比規範值小，從衝擊係數隨坡度的變化規律來看，模式四對橋樑有利。
（2）當支座垂直於主梁方向設定時，每種模式下的衝擊係數並不隨坡度的變化而發生變化，這種情況下的橋樑結構衝擊係數與相應直線橋樑相同；與規範計算值相比，模式一的衝擊係數遠大於規範值，在實際工程中不建議採用；模式二的衝擊係數與規範值相比要小些，但是模式二橋樑由於沒有限制橋樑順橋向的移動，在縱坡和移動荷載作用下主梁梁體可能會出現整體滑移現象，對橋樑結構不利；模式三、模式四中，兩者衝擊係數相同，支座約束方式相同，只是支座約束位置發生了互換，此時兩者對橋樑衝擊係數的影響相同。
通過對20m簡支梁坡橋在4種不同支座約束下的研究分析可以看出，橋樑兩端均採用板式橡膠支座對橋樑動力特性不利，在坡橋設計及建設過程中不宜採用；建議坡橋結構採用固定支座設定在較低墩台上，另一端採用活動支座的約束方式。
4．1．2 連續梁
選取4×25m縱坡的連續梁進行研究，分析在坡度為0～6%等7種縱坡下的衝擊係數變化情況，並與規範值進行對比。隨著坡橋坡度不斷增大，衝擊係數逐漸變小，同時衝擊係數的有限元值與規範值差值逐漸變大；衝擊係數的規範值和有限元值有一定的誤差，最大誤差為4．061%，說明橋樑縱坡坡度對連續梁衝擊係數有一定影響，但影響較小。
對於連續梁而言，支座垂直於主梁時橋樑結構的基頻未發生變化，那么相應的衝擊係數也不發生變化，因此不再對其展開研究。
4．2 基於車橋耦合振動連續梁衝擊係數結果分析由於規範的衝擊係數值是針對大部分簡支梁的
試驗數據統計回歸得到的，為了更深入研究其在連續坡橋上的適應性，對4×25m的連續梁坡橋開展車橋耦合振動分析。車輛採用自由度三軸空間車輛模型。橋面平順狀況僅考慮 A級橋面不平整度，採用4輛30t空間三軸車輛中載布置且並排同向行駛。為了對不同坡度的連續梁橋在不同車速下的動力效應展開分析，分別按勻速上坡、下坡兩種情況考慮，上坡速度分為30km/h、36km/h、54km/h、72km/h、90km/h等5種工況，下坡時速度分為54kmh72kmh90kmh等3種工況
5 結語
（1）通過對20m簡支坡橋在4種支座約束下的研究可以得出，橋樑兩端均採用板式橡膠支座對橋樑動力特性不利，在坡橋設計及建設過程中不宜採用；建議坡橋結構採用固定支座設定在較低墩台上，另一端採用活動支座的約束方式。
（2）隨著橋樑縱坡坡度不斷增大，橋樑振型形式並未隨坡度的增大而發生變化；對稱振型所對應的結構頻率在減小，反對稱振型所對應的頻率在增大，但變化幅度均不太大。
（3）支座的布置方式對橋樑的頻率有一定影響，當支座水平方向設定時坡橋頻率比相應普通橋樑的小，當支座垂直主梁方向設定時坡橋基頻與相應普通橋樑相同。
（4）雖然按照規範法對連續梁橋衝擊係數進行分析結果表明橋樑坡度對橋樑衝擊係數影響很小，但在進行車橋耦合分析時，結果卻表明坡度變化對衝擊係數有一定影響，實際橋樑評定時候要具體對待。
