曲线梁桥弯扭耦合效应研究概述

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　　摘  要：随着桥梁、公路等工程领域的快速发展，曲线梁桥在该领域得到了快速发展，曲线梁桥的优点不仅在于线路平顺、美观及容易布置，更可以克服地形、建筑物等的限制来满足公路线型的特殊桥型。相比于直线梁桥，曲线梁桥更有价值和发展前景。然而曲线梁桥由于初曲率的影响会出现弯扭耦合效应，使得研究复杂程度相比直线梁大大增加，文章就曲线梁桥的弯扭耦合效应的受力特性以及研究方法进行了概括总结。
　　关键词：曲线梁桥;弯扭耦合效应;研究方法
　　中图分类号：U448.21      文献标志码：A      文章编号：2095-2945（2019）14-0061-02
　　Abstract： With the rapid development of bridges， highways and other engineering fields， curved girder bridges have been developed rapidly. The advantages of curved girder bridges are not only smooth lines， beautiful appearance and easy layout， which can also overcome the limitations of terrain， buildings and so on to meet the special bridge type of highway line. Compared with straight beam bridge， curved beam bridge is more valuable and promising. However， the bending-torsion coupling effect of curved beam bridge will appear due to the influence of initial curvature， which makes the research complexity much more than that of straight beam. In this paper， the mechanical characteristics and research methods of bending-torsion coupling effect of curved beam bridge are summarized.
　　Keywords： curved girder bridge; bending-torsion coupling effect; research method
　　1 曲线梁桥的发展
　　最早建造完成的曲线梁桥要追溯到1914年，它是由德国建造的一座铁路钢桁架桥。从上世纪70年代开始，国外将曲线梁桥大量应用于城市立交桥以及公路桥梁的建设中，在1972年，奥地利建成了RESTAL山谷桥;1974年，瑞士建成了Cailon桥;1976年，法国建成了让纳维利桥[1];1979年，美国建成了美国Ruck-A-Chucky桥，该桥的曲率半径为457.2m，桥梁跨中采用铰接;1982年，加拿大在建成了弓河大桥;1987年，日本建成了青森大桥，青森大桥的全长大概为496m，该桥最大跨径达到了240m，其中最小的曲率半径甚至只有40m，随着我国经济的飞速发展，交通运输业也得到飞速发展，道路建设以及城市立交桥的建设应用了大量的曲线梁桥，在一些发展较快的城市中建成了许多具有代表意义的曲线梁桥：1988年，北京建成了东便门立交桥，该桥采用支架现浇进行施工;1991年，上海建成了南浦大桥，该桥采用现浇完成;1990年，山西建造完成了平顺公路桥，桥长114.34m，为3跨等截面预应力混凝土连续弯梁桥，曲线半径90m，该桥是我国首次采用顶推施工建造完成的。
　　2 曲线梁的力学特性
　　曲线梁在受到竖直荷载作用下，由于曲率的影响，梁内产生弯矩的同时也会产生耦合扭矩，同理，当梁内产生扭矩时，也会伴随产生耦合弯矩，即“弯扭耦合效应”，这使得曲线梁出现如下受力特点：（1）与相同跨径的直线梁桥进行对比，一般曲线梁桥在发生竖向挠度变形要大于直线梁桥，曲线梁外径的挠度大于内径的挠度。（2）弯扭耦合效应使得曲线梁内缘与外缘之间受力挠度出现差异，当断面横向尺寸较大时，这种现象更加严重，内外梁挠度差距加大，甚至使得内缘支座出现反力。（3）剪力滞后效应，由于腹板传递给顶板内力较为集中，使得顶板发生不均匀的剪切变形，使得曲线梁断面发生翘曲，并且造成断面正应力沿顶板横向不均匀分布，应力最大值出现在腹板顶板交接处，剪力滞后效应本质上属于弹性力学中的圣维南原理，桥面越宽现象越明显。（4）曲线梁桥除以上受力特点外，曲线梁还在如恒载横向分布、梁体横向位移等。可以看出曲线梁的弯扭耦合效应在受力分析中非常重要。
　　3 曲线梁桥的受力影响因素
　　在曲线梁桥的研究中，其受力影响因素是重点分析问题。近年来，曲线梁桥使用病害等事件时有发生，结构发生损害的关键点往往与这些因素相关。（1）曲线梁桥的曲率半径越大，断面上的挠度和正应力分布越均匀，随着曲线梁橋的曲率半径减小，结构的横断面的竖向挠度增大，并且断面上的畸变位移及畸变应力也有显著增大。（2）当曲线梁桥的弯曲半径的大小确定时，跨度越大，结构的弯曲程度越大，所以能够描述曲线梁桥的弯曲程度为因素为其圆心角度的大小，圆心角度的大小即为曲线梁桥的跨长值与弯曲半径值大小的比值，圆心角度值越大，曲线梁桥的跨长相比曲率半径越大，弯曲程度越大，弯扭耦合效应越明显;反之，圆心角越小，跨长相比曲率半径越小，弯曲程度越小，曲线梁桥的受力特性与直线梁桥的力学性能越接近，当圆心角小于30°时，允许将曲线梁桥当做直线梁桥来处理。（3）曲线梁桥弯曲刚度与扭转刚度的比值对曲线梁桥的内力与变形影响很明显，当比值增大时，曲线梁桥的弯扭耦合效应越明显，曲线梁桥的内力位移呈现出明显增大的趋势。（4）断面宽度与曲率半径的比值，当曲线梁桥的圆心角给定时，断面宽度越大，内梁与外梁弧长差距过大，使得外梁恒载要大于内梁恒载，使得梁体出现外翻的均布扭矩;其他因素还有，断面形式、横隔板数、支座形式、壁厚、预应力以及温度等。
　　4 曲线梁桥的研究方法概述
　　随着桥梁工程的发展，不同形式的曲线梁桥在实际工程中得以应用，经过几十年来专家学者的辛苦研究，曲线梁的分析理论与计算方法逐步变得完善起来，整理划分可分为三种分析种类：即解析法、半解析法和数值法[1]。（1）结构力学方法早期开始对曲线梁进行分析研究采用的方法，以纯扭转理论为基础，给出了曲线梁的内力位移表达式[2]。该理论适用于曲线窄梁桥，由于其计算简便且原理简单，在实际工程中广受青睐。国内外学者以结构力学方法为基础，得到多种基于纯扭转理论的曲线梁数值计算方法，比如M/R法、传递矩阵法、力矩分配法等。（2）薄壁开口、薄壁扁平闭口断面曲线梁桥结构发生扭转时，总扭矩中翘曲扭转扭矩起主导性作用，所以需要应用翘曲扭转理论对结构进行受力分析，该理论适用于薄壁曲线梁桥中主梁中的单根曲线梁以及宽跨比较小的薄壁曲线窄梁受力分析，类似此类薄壁曲线梁桥的结构，可以将曲线梁桥简化为单根曲线梁进行受力分析。该理论仅适用于宽跨比较小且横向联系刚度较强薄壁曲线窄梁的受力分析，得到的计算结果精度可以满足工程需要，但是该理论应用于多梁式且宽跨比较大的曲线梁桥的受力分析时，得到的计算结果误差较大，不再适用。（3）20世纪60年代，梁格法就被提出来了，随着计算机的发展，梁格法得到了推广。梁格法是一种实用技术、思路清晰、计算精确简单且自由度较少的空间分析方法，在工程中常见的非常规桥型如曲线梁桥、斜桥及宽桥等的力学分析中，梁格法具有独特的优势。梁格法适用范围较为广泛，它适用于如纵梁和横梁的格子梁、各种组合体系梁桥、板式和箱式等断面形式的桥梁的上部结构，甚至对支承不规则的桥梁也能适用，受到广大桥梁专家的青睐。（4）其他理论还包括能量法、夹层板法、正交异性板理论、试验研究法等。
　　5 结论
　　本文回顾了曲线梁在国内外应用的概况，总结了曲线梁的力学特性、受力影响因素及研究方法，对曲线梁的弯扭耦合效应分析研究具有一定的参考价值。
　　参考文献：
　　[1]邵容光，夏淦.混凝土弯梁桥[M].人民交通出版社，1994.
　　[2]姚玲森.曲线梁桥[M].北京：人民交通出版社，1989.
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