曲线桥桥台布置形式及坐标计算详解

曲线桥墩台中心坐标计算与直线桥相比，曲线桥墩台中心坐标的计算要复杂的多，涉及的内容也较多，下面就有关内容分述如下。1．梁和桥台在曲线上的布置形式桥梁位于曲线上，线路中线为具有一定半径的圆曲线或缓和曲线，而预制梁的中线为直线，这就要求梁中线必须随着线路中线的弯曲形成与线路曲线基本相符的连续折线，如图16—11所示。这条连续折线称为曲线桥梁的工作线，其顶点为相邻两梁中线的交点，相邻两交点之间的水平距离，称为交点距，亦称墩中心距或跨距，以L表示。L2α2L1α1α3L3E2E3α4E1E4图 16—11在曲线桥上，桥梁工作线为折线，线路中线为曲线，两者并不重合，列车通过时，桥梁必然承受偏心荷载。为了使桥梁承受较小的偏心荷载，桥梁设计中，每孔梁中心线的两个端点并不位于线路中心线上，而必须将梁的中线向曲线外侧移动一段距离。根据跨长及曲线半径，梁中线向曲线外侧所移动的距离，可以等于以梁长为弦线的中矢值，此布置方式称为切线布置，如图16—12（a）所示；也可以等于该中矢值的一半，称为平分中矢布置，如图16—12（b）所示。两种布置形式比较，平分中矢布置较为有利，铁路曲线桥基本上都采用这种布置形式。LLEE(a) (b) 图 16—12桥台在曲线上的布置形式与梁稍有不同，如果将桥台的中心线和与其相邻的梁跨中线布置在同一条直线上，则台尾中心必然偏离到线路中线的外侧，如图16—13所示。设其偏距为d，如果d≤10cm 时，则桥台就采用这种布置形式；否则，应旋转桥台，使台前的偏距与相邻梁跨的偏距相同，台尾的偏距为0，如图16—14所示。前者布置形式称为直线布置，后者称为折线布置。当采用折线形式布置桥台时，台尾偏角可能会出现负值，如图16—15（a）所示，如果出现这种情况，则台前和台尾采用相同的偏距，如图16—15（b）所示。2.偏距E的计算在曲线桥上，梁的中线由弦线位置，向曲线外侧移动的一段距离称为偏距，并以E表示。由于曲线半径很大，相邻两跨梁中线的偏转角很小，故可以认为偏距E就是桥梁工作线各转折点相对线路中线外移的距离。线路中线线路中线桥梁中线桥台d桥梁中线桥台图 16—13图 16—14线路中线桥台桥台中心线线路中线桥台桥台中心线(a) (b) 图 16—15在圆曲线上，切线布置的梁，其偏距为：L2E （16—13）8R若为平分中矢布置，其偏距为：L2E （16—14）16R在缓和曲线上，切线布置的梁，其偏距为：L2liE （16—15）8Rl0若为平分中矢布置，则偏距为：L2liE （16—16）16Rl0式中，L为交点距、R为圆曲线半径、li为ZH（或HZ）至计算点的距离、l0为缓和曲线长。曲线桥梁设计中，桥墩的中心选在桥梁工作线的转折点上，其纵轴线位于工作线转折角的角平分线上，横轴线与纵轴线垂直。由偏距的计算公式可以看出，当相邻两孔梁的跨距不等，或虽然跨距相等，但位于缓和曲线上时，所求得的偏距E值不等，导致相邻两孔梁中线的交点不在两孔梁的正中间，这就造成两孔梁在墩上不能对称放置。为了避免这种情况的发生，规定了当相邻梁跨都小于16m 时，按较小跨度梁的要求计算偏距E值，而大于20m时，按较大跨度梁的要求计算偏距E值。iFLL'αaFai-1i+1图 16—163.交点距L的计算考虑到梁体的制造误差、架设误差、梁在受力后的伸长、温度变化对梁长的影响、墩台施工误差和测量误差等，相邻两跨梁的梁端之间、桥台胸墙线与相邻梁端之间应留有一定的间隙。对于直线桥，梁端之间、梁端与桥台胸墙线之间彼此平行，其间隙称为直线桥的梁缝。对于曲线桥，相邻两跨梁的梁端之间、桥台胸墙线与相邻梁端之间不平行，规定曲线内侧的间隙不小于一个定值，该定值称为曲线桥的梁缝，如图16—16所示。由于梁缝的存在，使得交点距L并不等于梁的长度L′。交点距的计算公式为LL2F （16—17）其中：aFBsin22asecBtg222cos2当 很小时，sec21 、 tg22，则FaB （16—18）22式中，F为墩中心至相邻梁端的距离；a为规定的最小梁缝之半；B为梁的宽度； 为工作线转向角。4.桥梁偏角 的计算桥梁偏角 即曲线桥梁工作线的偏转角。桥梁在曲线上的布置，可以看成先将梁布置在线路上，此时相邻两梁中线转向角即为线路偏角；然后将梁向曲线外侧移动以满足受力要求，此时相邻两梁中线转向角即为桥梁偏角。梁向曲线外侧移动后，如果相邻三个交点的偏距值均相等，即梁体是相对平移的，则桥梁偏角的值与线路偏角的值相等；否则，桥梁偏角的值就为线路偏角的值和梁体两端位移不等产生的角值共同组成的。梁体两端位移不等产生的角值称为外移偏角，是由于外移的偏距不等而产生的。由此可见，桥梁偏角实际上是由线路偏角和外移偏角组成的，如图16—17所示。设线路偏角为A，外移偏角为E，则桥梁偏角为  = A + E （16—19）LF αφBi LBαAEi φBδBδFαAφFi-1Ei-1i+1Ei+1图 16—17桥梁外移偏角根据交点距、偏距按下式计算EBF11(EiEi1)(EiEi1) （16—20）LBLF式中，LB为后跨梁的交点距、LF为前跨梁的交点距、Ei-1为后交点i-1的偏距、Ei为计算点i的偏距、Ei+1为前交点i-1的偏距。线路偏角的计算可采用前后视偏角计算法或坐标计算法。前者根据前后视偏角δF、δB，计算；后者是根据坐标反算方位角，进而计算出线路偏角。前后视偏角计算法的基本公式为，ABF （16—21）由于梁体在线路上的位置不同，δB、δF的计算方法也不一样，以下讨论不同情下桥梁线路偏角的计算公式。（1）后点i- 1和计算点i位于直线上，前点i +1 位于缓和曲线上如图16—18所示，因后跨梁位于直线上，故后视偏角为零，即δB =0；前视偏角δF 为LBi-1ili,ZHZHδCδδFLFi+1图 16—18FCli,ZH12li1(1) （16—22）6Rl0LF式中，li+1、li，ZH分别为i+1点、i 点至ZH的曲线长，LF为前跨交点距。（2）后点i -1 位于直线上，计算点I和前点i +1位于缓和曲线上如图16—19所示，设弦线i—ZH相对ZH点切线和计算点切线的偏角分别为δ、δB′，∠i-1、i、ZH ，则后视偏角δB为lli2CBB(1i1,ZH) （16—23）3Rl02LB=δC 前视偏角为FLF(3liLF) （16—24）6Rl0式中，li、li-1、ZH分别为i点、i-1点至 ZH的曲线长，LB为后跨交点距。LB LF δδ δ'Biδ Fδ Bli-1,ZHi-1ZHCα Ai+1图 16—19（3）后点i-1、计算点i及前点i+1均位于缓和曲线上如图16—20 所示，其后视偏角δB、前视偏角δF分别为BFLB(3liLB)6Rl0 （16—25）LF(3liLF)6Rl0LB δBi δFi-1LFi+1图 16—20（4）后点i-1和计算点i均位于缓和曲线上，前点i+1位于圆曲线上如图16—21 所示，由于后点i-1、计算点i均位于缓和曲线上，故后视偏角δB为BLB(3liLB) （16—26）6Rl0为了计算前视偏角需增设辅助线，即自HY点向圆曲线方向将缓和曲线延长至i' +1点，且延长的长度与HY到i+1点的曲线长相等，则前视偏角δF为CFFFlHY,i1(21)FLFLF32lHYlHYLF,i1,i1 (3liLF)6Rl06Rl0LF6RLF （16—27）δBLBiδ' FHYδ2δ1 δ FδBδC li+H1Y,i+1Li'i-1F+1Δ图 16—21（5）后点i -1位于缓和曲线上，计算点i 和前点i +1位于圆曲线上如图16—22 所示，为计算后视偏角需增设辅助线，即自HY点向缓和曲线方向将圆曲线延 iδBαAli-1,HYHY δBδF δBδ 2δ1i-1δ CLBLFi+1Δi'-1图 16—22至i' - 1点，且延长的长度与HY到i -1点的曲线长相等。设弦线i'-1~ 相对于ｉ点切线的偏角为δ'B ，∠i -1、i、i'-1为δC ，则后视偏角δB 为LBLBlHY,l3HYBB2RL2Ri1L() LB,i1C12 （16—28）BB2R6Rl0LB由于计算点i和前点i+1均位于圆曲线上，则前视偏角δF 为F12RLF （16—29）（6）后点i-1、计算点I及前点i+1 均位于圆曲线上如图16—23所示，设后视偏角为δB 、前视偏角为δF ，则长i 1LB2R （16—30）1FLF2RBLFLBδBδBiδFαAi-1i+1图 16—23线路偏角的坐标计算法是利用方位角求差值的方法，即首先计算弦线端点的坐标，然后按坐标反算计算出弦线的坐标方位角，最后根据坐标方位角求出前一条弦线相对于后一条弦线的偏角，即线路偏角。现以一例说明此法。例16—2 如图16—24所示，某铁路桥位于曲线上，该曲线设计选配的半径R=800 m ，缓和曲线长l0=150m，经复测后确认的转向角Z=32°52′19.7″，ZH里程为DK3+161.658，各墩台中心的里程如图，试计算桥梁偏角。+628.00E=82°13′38″YH DK3+620.+595.222°20′48″E=8+5622°.4420′51″+5E=82°29.6206′51″E=8=0E 26.=07″E9073+′071 KD001.3″ 0°+79′140尾 00E=.6 0台 0°3+776 台前 K8.912″D750′ Z +12 E= H0°.2537″62+741′0°E=423.5+692′20″11°E=677+660.07″′1°43332.7362.7932.732.8032.8032.8032.8032.80E=3285.55.3271⑦⑥⑤④③⑧②⑨曲线缓和圆曲线″88.859E=6′9 +4204 2″02°=84.′3E6 +43074 1°4.前 ″台 K3+′58 D°19尾0台4.8309.①R=800m l0=150m图 16—24解 计算步骤：建立ZH—X Y 测量坐标系，在此坐标系下计算相应里程中线点的坐标； 根据坐标反算坐标方位角；根据坐标方位角计算线路偏角；根据偏距及交点距计算外移偏角；根据线路偏角及外移偏角计算桥梁偏角；计算结果见表16—11所示。表16—11 中线点坐标计算坐 标坐 标 增 量点 号0台尾0台前123456710台前10台尾 里 程K3+4.740K3+4.040K3+496.880K3+529.660K3+562.440K3+595.220K3+628.000K3+660.770K3+693.520K3+726.250K3+758.960K3+791.710K3+797.260x290.36884299.31066330.63524361.47305391.82992421.688450.8179.4507.68615535.451562.98872590.49612595.15748y-30.71268-33.26860-43.12177-.23067-66.59347-80.142-94.99520-110.90429-127.65555-144.984-162.63843-180.41216-183.42451Δx8.9418331.3245830.8378130.3568729.8249629.2432728.72928.1407127.76927.5370927.507404.66136Δy-2.55592-9.85317-11.100-12.36280-13.59595-14.80579-15.90908-16.75126-17.32934-17.653-17.77373-3.01235 表16—11中0号台尾的线路偏角为台尾点的切线与台尾中线间的偏角，且L1800 19 58.92R点 号0台尾0台前1234567交 点 距(m)9.30032.83832.77832.77832.77832.77832.76832.749表16—12 桥梁偏角计算外 移 偏 方 位 角 线 路 偏 角偏距角(cm)° ′ ″° ′ ″° ′ ″0 19 58.980 00 00.0344 02 1 30 32.580 00 00.052.9342 32 2 20 59.580 00 00.020.4340 11 2 20 51.780 00 00.020.9337 50 2 20 51.780 00 00.029.2335 29 2 20 48.280 00 00.037.5333 08 2 11 32.480 02 05.949.3330 57 1 43 07.260 00 00.116.9329 14 1 12 20.340 00 00.109.7桥 梁 偏 角° ′ ″0 19 58.91 30 32.52 20 59.52 20 51.72 20 51.72 20 48.22 13 38.31 43 07.31 12 20.410台10台5.328 01 49.4327 20 12.4327 07 .3327 07 40.5墩台中心坐标的计算32.73032.71032.7505.5500 41 36.90 12 18.20 00 13.80 00 00.020000 00 00.1-0 02 06.10 00 00.00 00 00.00 41 37.00 10 12.10 00 13.80 00 00.0交点距L和桥梁偏角 求出后，便可据此计算墩台中心的坐标。由于曲线桥的桥梁工作线是一条连续折线，在计算墩台中心坐标时，可将其视为依次向前延伸的导线，相邻两墩台中心的交点距即为导线的边长，导线边的坐标方位角可由后跨梁中线的坐标方位角和前跨梁中线相对于后跨梁中线的桥梁偏角算出，并至末端台尾闭合，依图16—24计算的墩台中心坐标列于表16—13。表16—13 墩台中心坐标计算边 长桥 梁 偏 角方 位 角（m）° ′ ″° ′ ″0 19 58.91 30 32.52 20 59.52 20 51.72 20 51.72 20 48.22 13 38.31 43 07.31 12 20.40 41 37.00 10 12.10 00 13.80 00 00.0344 02 52.9342 32 20.4340 11 20.9337 50 29.2335 29 37.5333 08 49.3330 55 11.0329 12 03.7327 59 43.3327 18 06.3327 07 .2327 07 40.49.30032.83832.77832.77832.77832.77832.76832.74932.73032.71032.7505.550坐 标x290.3905299.3324330.6573361.49391.85221.6777450.9212479.5585507.68535.4441562.9704590.4778595.1392y-30.6360-33.1919-43.0451-.11-66.5171-80.1131-94.9190-110.845-127.613-144.960-162.630-180.404-183.416点 号0台0台123456710台10台里 程K3+4.740K3+4.040K3+496.880K3+529.660K3+562.440K3+595.220K3+628.000K3+660.770K3+693.520K3+726.250K3+758.960K3+791.710K3+797.260