（道路与铁道工程专业论文）无桥台斜腿刚架桥在弯坡斜桥中应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无桥台斜腿刚架桥是一种新桥型 因其适用 经济 美观等方面的独特优 势 近几年在工程领域中得到较为广泛的应用 更因其结构上的固有特点 使 其能够有效克服一般弯 坡 斜桥的常见病害 具有很强的推广价值 本文结 合工程应用 主要针对斜交无桥台桥梁的结构体系及受力特性进行分析 并通 过工程实践对理论分析进行验证 针对典型的无桥台斜腿刚架桥 对跨径 主梁梁高 斜腿倾角 横截面 横系梁等方面进行了优化分析 为设计提供了依据 本文介绍了斜交无桥台斜腿刚架桥的力学特性 分析了斜桥产生平面内旋 转的原因 提出了斜交无桥台斜腿刚架桥抗旋转机理 从理论上对 不动点 和 转动中心 进行了推导 进而推导了斜交无桥台斜腿刚架桥的平面位移计 算公式 理论公式的计算结果表明 与一般的斜桥相比 斜交无桥台斜腿刚架 桥由于其自身独特的构造 可以有效地限制其平面内的位移 从而保证结构的 安全 针对典型的斜交无桥台斜腿刚架桥 本文利用m d a s 软件 建立不同斜度 的无桥台斜腿刚架桥模型 从应力水平和结构位移两个指标对控制截面的受力 情况进行了结构分析 本文结合典型工程实例 对斜交无桥台斜腿刚架桥进行了动静载试验 从 而验证了上述章节的理论分析及推导 期望这些研究成果可丰富斜交无桥台斜腿刚架桥的设计计算理论 为斜交 无桥台斜腿刚架桥的工程应用提供有价值的参考 关键词 无桥台斜腿刚架桥 优化 平面位移 斜度 动静载试验 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es l a m l e g g e dr i g i df r a m eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n ti sal l e wb r i d g et y p e w h i c hi sw i d e l ya p p l i e dt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e o na c c o u n to fi t su n i q u ea d v a n t a g e s i nr e s p e c to fa d a p t a b i l i t y e c o n o m ya n dl a n d s c a p i n g i nr e c e n ty e a r s a n di th a st h e v e r ys t r o n gp r o m o t e dv a l u eb e c a u s ei t si n h e r e n ts t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c se n a b l ei tt o o v e r c o m et h ec o m m o nd i s e a s e so f g e n e r a lb r i d g e s c o m b i n i n gt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e dt h es t r u c t u r es y g e ma n dt h es t r e s s w h i c hw e r ev a l i d a t e d b yp r a c t i c e f o rt h et y p i c a ls l a n t l e gr i g i df r a m eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t t h i sp a p e r o p t i m i z e dt h es p a n t h eg i r d e r t h es l a n tl e go ft h es t r u c t u r e a n dp r o v i d et h e o p t i m i z a t i o nd e s i g n t m sp a p e ri n t r o d u c e dt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f t h es k e ws l a n t l e g g e dr i g i d f l a m eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t a n a l y z e dt h ec a u s e so fi n p l a i nr o t a t i o no fs k e w b r i d g e t h e np u tf o r w a r dt h er o t a t i n g r e s i s tm e c h a n i s mo fs l a n t l e g g e dr i g i df l a l l l e b r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t t h e o r e t i c a l l y t h ef i x e dp o i n t a n d t h er o t a t i o nc e n t e r i s d e r i v e d w h i c hd e r i v e di t sp l a n ed i s p l a c e m e n tf o r m u l a t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t e dt h a t c o m p a r e d i t l lo t h e rt y p e so fs k e wb r i d g e s s l a n t l e g g e dr i g i d f r b l n eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t o na c c o u n to fi t su n i q u es t r u c t u r e c a ne f f e c t i v e l y r e s t r i c ti n p l a i nd i s p l a c e m e n t a n dt h u sc a r le r l s u r et h es a f e t yo f s t r u c m r e f o rt h et y p i c a ls k e ws l a n t l e g g e dr i g i df l a m eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t t h i s a r t i c l eu s e st h em i d a ss o f t w a r e e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fs k e ws l a n t l e g g e dr i g i d f l a m eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n tm o d e lw i t hd i f f e r e n ts k e wa n g l e s a n dm a d ea n a l y s i s o nl o a d i n gc o n d i t i o n sa n ds t i f f n e s so fs t r u c t u r ef r o mt h ea s p t o fs t r e s sl e v e la n d s t r u e t u r a ld i s p l a c e m e n t b a s e do nt h ep r a c t i c a lp r o j e c t s d y n a m i c a la n ds t a t i c a ll o a dt e s ts t u d yi sm a d eo i l t h es k e ws l a n t l e g g dr i g i df l a l l l eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t w h i c hv a l i d a t e dt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dv e r i f i e a t i o no f t h e a b o v es e c t i o i l s i i 武汉理工大学硕士学位论文 e x p e c t e dt h e s er e s e a r c hr e s u l t sm a ye n r i c ht h ed e s i g nt h e o r yo ft h es k e w s l a n t l e g g e dr i g i df r a m eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t a n dp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c ef o r t h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h es k e ws l a n t l e g g e dr i g i df i a m eb r i d g ew i t h o u t a b u t m e n t k e yw o r d s s l a n t l e g g e dr i g i df r a m eb r i d g ew i t h o u ta b u t m e n t o p t i m i z a t i o n p l a n ed i s p l a c e m e n t s k e wa n g l e d y n a m i c a la n ds t a t i c a ll o a dt e s t i i i 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保 留 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或 部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 期 萼卫夕 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无桥台斜腿刚架桥的产生及发展 1 1 1 无桥台斜腿刚架桥的产生 无桥台斜腿刚架桥 图i i b 是近些年发展起来的一种新桥型 l i 它是在传 统的斜腿刚架桥 图i l a 的基础上 取消与路堤衔接的桥台 增设边斜杆 将梁端荷载传递到桥墩上 边斜杆的倾角与路堤边坡一致 一般采用4 5 0 带有斜向支撑的梁式桥古代就有 大多是木制结构 到了二十世纪 开始 出现钢筋 或预应力钢筋 混凝土斜腿刚架桥 2 例如瑞士1 9 2 5 年建成的夏特拉尔 c h a t el a n d 刚架桥和我国修建的汉江铁路大桥等 3 1 如拱桥一样 由于斜腿中 水平推力的存在 虽然对上部结构有利 但对下部结构受力不利 因而在不良 地基段 其使用受到较大的限制 另外 当路堤填土较高时 传统的重力式桥 台 u 型桥台 由于其构造要求往往做得很笨 圬工体积大 造价高 为了解决上 述问题 可以去掉两端的桥台 而以两边斜杆替代之 称之为无桥台斜腿刚架 桥 4 1 芒j 一一一一j 注兰r 一 o 辩腿刚架榜示意图 b 无桥台斜腿刚架桥示意图 图卜1 斜腿刚架桥与无桥台斜腿刚架桥 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 无桥台斜腿刚架桥的发展 桥台 历来是桥梁的组成部分之一 它的功能是 支承桥跨结构 使桥头 引道衔接匀顺并保持桥头路堤的稳定 长期以来 建桥工作者在降低桥台造价 方面想了许多办法 提出了各种轻型桥台 埋置式桥台 加筋土桥台等比较经 济的型式 这些桥台能不同程度地降低桥梁的造价 但其应用场合有很大的局 限性 利用带端悬臂的悬臂梁桥 可以不设桥台 但在水流速度较大时不宜采 用 此外 悬臂端部的挠度较大 影响行车的舒适 在高等级公路上或荷载较 大时 不宣使用 1 9 7 8 年广东省建筑设计院设计了一座双斜杆刚架桥 广东省江门市北江 桥 该桥全长5 4 米 这座桥梁的建成 开创了我国建造无桥台斜腿刚架桥的 先例 1 9 9 1 年华中科技大学 原武汉城建学院 在湖北省科委的大力支持下 开发研究无桥台斜腿刚架桥新桥型 并成功设计建成了鄂州金鸡桥 广东茂名 官渡桥 湖北汉川新河桥 鄂州严家湖桥和襄樊清河二桥等五座实验桥 该项 研究成果于1 9 9 7 年进行鉴定 受到桥梁界的普遍关注 1 9 9 8 年获得建设部科技 进步三等奖 江西省交通规划设计院1 9 9 6 年8 月来武汉城建学院引进该桥型后 在开发应 用无桥台斜腿刚架桥方面做了大量有益的工作 1 9 9 7 年 江西省交通规划设计院对上跨一级汽车专用公路的跨线桥 将无桥 台斜腿刚架桥与预应力空心板桥和钢筋混凝土连续梁桥在同等条件下进行了比 较 发现将无桥台斜腿刚架桥应用到跨线桥时 与预应力空心板桥和钢筋混凝 土连续梁桥相比 材料最省 造价最低 3 种跨线桥材料用量对照表见表1 1 3 种跨线桥建安费对照表见表1 2 由表卜l 表卜2 可见 无桥台斜腿刚架桥的钢筋用量和混凝土用量都明显 节省 与预应力空心板桥相比 造价节省2 6 与钢筋混凝土连续梁桥相比 造 价节省2 8 此后该院在九江至景德镇高速公路 胡家坊至昌傅高速公路 温家 坝至玉山段高速公路 昌傅至赣州段高速公路以及南昌县 义安县城市桥梁中 推广应用数十座 见表卜3 取得了很好的经济效益和社会效益 2 武汉理工大学硕士学位论文 表卜13 种跨线桥材料用量对照表 钢筋砼无桥台 鼙蕊 预应力砼空心板钢筋砼连续箱梁 斜腿刚架桥 目 岔 1 0 1 6 2 1 01 5 2 4 1 51 2 2 4 1 2 桥孔全长 米 5 25 4 4 8 7 主混凝土立方米1 7 2 42 1 0 21 7 6 8 上 钢筋吨1 0 8 3 64 9 0 3 93 2 7 4 2 部 粱钢绞线吨7 7 9 1 2 构 桥面 混凝土 立方米 6 2 56 2 85 8 7 造 铺装 钢筋吨 5 3 2 85 2 4 95 2 0 1 桥混凝土立方米 8 6 12 7 9 5 下 墩钢筋吨6 5 33 5 8 9 部桥混凝土立方米8 0 56 2 2 7 构台钢筋吨4 4 2 74 7 0 8 造 基混凝土立方米3 4 3 82 9 4 7 1 4 6 础 钢筋吨1 9 0 71 2 0 50 5 7 7 表卜23 种跨线桥建安费对照表 砼用量 钢筋用量建安费 方案名称 配孔情况 立方米 吨 万元 3 6 8 1 9 其中钢 预应力砼空心板 1 0 1 6 2 1 07 4 5 39 0 8 3 绞线7 7 9 1 无桥台斜腿刚架桥 1 2 2 4 1 2 3 8 1 5 3 8 5 26 7 6 4 钢筋砼连续箱梁1 5 2 4 1 56 5 7 96 3 7 9 9 4 1 7 注 1 造价分析时 对张拉吊装设备等附属工程三种方案均未考虑 2 高填土软土地段 当基础采用桩基础时 无桥台斜腿刚架桥比其它两种结构节省桩 基础5 0 以上 具有更好的经济性 3 武汉理工大学硕士学位论文 表1 3 江西省无桥台斜腿刚架桥应用情况表 荷载标准 序号 桥址位置桥名或桩号配孔情况l l k l 1k 6 1 7 61 2 2 4 1 2 汽车一2 0 挂车一1 0 0 2k 7 l 5 7 11 2 2 4 1 2 汽车一z o 挂车一1 0 0 3 盏 k 7 3 6 2 51 2 2 4 1 2 汽车一2 0 挂车 1 0 0 4 至 k 8 4 9 0 01 2 2 4 1 2 汽车一2 0 挂车 1 0 0 5 蓁垂 i 8 4 0 0 01 2 2 4 1 2 汽车 2 0 挂车一1 0 0 1 2 2 4 1 2 汽车一2 0 拄车一1 0 0 6 鍪 k 9 1 r 4 4 01 2 2 4 1 2 汽车 2 0 挂车 1 0 0 7 k 9 0 0 8 3 5 8k 9 2 1 7 11 2 2 4 1 2 汽车 2 0 挂车 1 0 0 9k 9 5 f1 7 41 2 2 4 1 2 汽车一2 0 挂车一1 0 0 1 0k 1 1 1 3 6 01 2 2 4 1 2 汽车一2 0 挂车一1 0 0 1 1k 7 6 8 6 51 4 2 6 1 4汽车 2 0 挂车 1 0 0 1 2k 7 9 5 6 31 4 2 6 1 4汽车 2 0 挂车 1 0 0 胡 1 3 家 k 8 0 3 5 71 4 2 6 1 4汽车 2 0 挂车 1 0 0 坊 1 4 跨喜 k 8 4 0 0 01 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车一1 0 0 1 5 簇耋 k 8 5 1 7 01 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车一1 0 0 1 6 速 k 8 7 i 1 01 4 2 6 1 4 汽车 2 0 挂车 1 0 0 公 1 7k 8 7 8 3 01 4 2 6 1 4 汽车 2 0 挂车一1 0 0 路 1 8k 9 3 9 0 0 1 4 2 6 1 4 汽车 2 0 挂车一1 0 0 1 9 k 9 5 i 4 5 01 4 2 6 1 4 汽车 2 0 挂车一1 0 0 2 0 南昌县南昌县排溃道桥1 3 5 2 9 4 1 3 5城市桥 桥宽3 3 0 米 南昌县莲良路 2 1 南昌县 1 2 2 4 1 2 汽车屹0 挂车一1 0 0 总千渠桥 2 2 安义县安义县中桥 1 2 2 4 1 2 汽车 2 0 挂车 1 0 0 2 3 段温 k 4 5 7 2 0 1 4 2 6 1 4汽车一2 0 挂车一1 0 0 高家 线速圳 2 4 桥公至 k 8 l 7 5 01 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车一1 0 0 路玉 2 5 跨山 k 8 9 5 5 81 4 2 6 1 4汽车 2 0 挂车一1 0 0 4 武汉理工大学硕士学位论文 续上表 2 6k 9 2 9 8 81 4 牟2 6 牟1 4 汽车屯0 挂车 1 0 0 2 7k 1 0 0 0 2 51 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车 1 0 0 2 8k 1 2 7 7 2 51 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车 1 0 0 2 9 k 1 8 9 7 2 0 1 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车 i 0 0 3 0k 4 8 5 2 51 4 2 6 1 4汽车一2 0 挂车 1 0 0 3 1k 1 0 5 7 0 0 1 4 2 6 1 4汽车 2 0 挂车 1 0 0 高 3 2 蓁萎 k 1 3 5 5 2 51 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车一1 0 0 3 3k 1 5 6 0 2 2 51 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车 1 0 0 3 4k 1 6 2 3 0 31 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车 1 0 0 3 5k 1 6 5 4 4 21 4 2 6 1 4 汽车一2 0 挂车 i 0 0 3 6k 2 4 7 5 0 01 4 2 6 1 4 汽车 2 0 挂车 i 0 0 注 以上桥梁均为正交跨线桥或城市桥 2 0 0 0 年湖北省交通规划设计院与华中科技大学合作 选取京珠高速湖北省 南段有代表性的3 座天桥 深挖方 软基 高填方各一座 作为依托工程 成功 的建造了3 座无桥台斜腿刚架桥 3 座天桥上构均为1 4 5 2 6 0 1 4 5 m 下构则根 据实际情况选用桩基础或者扩大基础 3 座天桥于2 0 0 2 年建成通车 运行情况良 好 为了探索无桥台斜腿刚架桥的经济性能 湖北省交通规划设计院选择t 6 种 跨线桥在相同条件下 桥面净宽均为0 5 4 5 0 5 m 进行了对比 见表1 4 表中无桥台斜腿刚架桥的设计荷载等级为汽车 2 0 挂车一1 0 0 其余5 种桥型 荷载等级均为汽车 1 5 拄车 8 0 由表卜4 可见 无桥台斜腿刚架桥的经济优 势十分明显 2 0 0 1 2 0 0 2 年先后在浙江温州 河北沧州等地建成钢筋混凝土无桥台斜腿 刚架桥多座 均取得了较好的经济效益和社会效益 1 1 3 无桥台斜腿刚架桥在弯 坡 斜桥中应用 以上所述的桥梁均为正交的钢筋混凝土无桥台斜腿刚架桥 多为上跨天桥 而在武汉绕城公路中 首次采用了预应力混凝土无桥台斜腿刚架桥 也开创了 其在弯 坡 斜桥中的应用先河 5 武汉绕城公路是京珠 沪蓉国道主干线在武 汉市交汇形成的环行公路 是湖北省规划的 四纵两横一环 公路主骨架之一 5 武汉理工大学硕士学位论文 设计为计算车速1 2 0k m m 4 车道高速公路 桥梁所占的比例很大 为了能积极 地采用新桥型 新技术 丰富桥型和节约建桥投资 同时也为了将原设计中的 一些不够合理之处得到改善 取消跨线桥在高速公路上设置的中墩 改变部分桥 梁的钢梁方案 以利于日后维护 因而对第七 八 九 十 及十四合同段共 1 0 座桥梁进行优化 6 变更前后的桥型方案见表1 5 表1 46 种跨线桥材料用量和建安费对比表 钢筋用量建安费 方案名称配孔情况荷载标准砼用量 m 3 k g 万元 3 2 8 9 1 1 预应力混凝土空心板 1 6 2 2 0 1 6 汽车 1 5 级 8 2 4 8 06 8 6 3 注 1 6 4 6 3 4 4 钢筋混凝土连续梁汽车 1 5 级 5 9 6 1 06 2 2 3 4 15 1 2 0 1 6 4 钢筋混凝土连续梁 1 4 2 2 1 1 4 汽车 1 5 级 5 5 0 8 45 7 8 0 3 84 8 6 l 钢筋混凝土刚架拱l 一4 2汽车 1 5 级8 1 7 8 7 4 6 2 2 9 85 1 0 7 钢筋混凝土斜腿刚构 1 5 2 7 1 5 汽车 1 5 级 6 5 6 8 03 6 7 7 6 94 4 0 0 钢筋砼无桥台斜腿刚 1 4 8 5 2 6 汽车 2 0 级 2 8 5 6 64 1 0 8 7 23 7 0 3 架桥 1 4 8 5 注 钢绞线9 6 8 3 k g 表i 5 变更前后的桥型方案 桥名原设计桥型变更后的桥型 斜交3 9 l 0 6 5m 刚架拱 桥长 1 9 5 3 9 1 9 5 mf c 无桥台 黄陂互通l 号桥 8 0 7 4 3m斜腿刚架桥 斜交1 5 1 8 2 5 1 8 m 连续梁 桥长 1 0 1 5 1 0 i l lr c 无桥台斜腿 黄陂互通2 号桥 6 7 0 8m刚架桥 斜交1 0 l o 6 0m 刚架拱 桥长 1 6 3 0 8 1 6 mr c 无桥台斜 黄陂互通3 号桥 8 6 0 3 2m腿刚架桥 k 1 6 5 5 5 跨线桥 2 4 3 4 4 2 4 连续梁 桥长8 7 4m 1 6 3 0 1 6 mr c 无桥台斜腿 刚架桥 k 1 7 7 0 0 跨线桥 2 1 3 4 2 1 h i 连续梁 桥长8 2 3m 1 6 3 0 1 6 mr c 无桥台斜腿 刚架桥 6 武汉理工大学硕士学位论文 续上表 1 6 3 0 1 6 mr c 无桥台斜腿 k 1 8 0 0 6 跨线桥 2 8 2 8 m 连续梁 桥长6 0m 刚架桥 1 5 4 2 8 5 1 6 4 mr c 无桥 k 7 1 7 1 6 0 8 1 主线桥2 2r e p c 4 4m 钢梁 2 2m p c 台斜腿刚架桥 2 2 5 4 0 2 2 5 mp c 连续刚 e k 0 9 1 6 8 6 5 匝道桥 2 0m p c 4 0m 钢梁 2 0m p c 构桥 斜交4 9 单孔l 0 4 9m 斜腿刚架 1 9 5 3 9 1 9 5 mp c 无桥台 k 3 1 1 7 0 8 1 7 跨线桥 桥长6 3m斜腿刚架桥 斜交2 5 单孔l 0 4 7m 斜腿刚架 1 6 3 0 1 6 mr c 无桥台斜腿 k 4 6 0 2 4 5 0 0 跨线桥 桥长6 3m刚架桥 1 2 无桥台斜腿刚架桥的主要特性 1 2 1 构造特点 无桥台斜腿刚架桥取消了斜腿刚架桥两端的桥台后 代以边斜杆a a d d7 有一系列的优越性 其主要表现在 蹦2 1 不设桥台但可以满足桥台的各项功能 1 见图1 1 b 边斜杆 州 d d 可以很好地支承桥跨结构 在各种 荷载作用下 梁端 爿端或d 端 都只有很小的弹性变形 这与悬臂梁桥端部挠度 较大是完全不同的 2 主梁彳 d 两端伸入桥头路堤7 5 e m 并设搭板 与有桥台情况一样 可 与桥头衔接匀顺 行车平稳 通过特殊处理为解决桥头跳车这一顽疾提供了一种新 途径 5 3 铺砌桥头路堤迎水面的斜坡 可确保路堤的稳定 铺砌原则是使边斜 杆拟 和d d 比较隐蔽 在跨河桥中 一般铺砌到边斜杆的项面 而在跨线桥中 则可铺砌在边斜杆之上 2 伸缩缝少 行车舒适平稳 一般的单孔或多孔无桥台斜腿刚架桥 只需在主梁的两端设置伸缩缝 仅 当桥梁的长度较长 跨数较多时 例如多跨2 0 0 m 以上 才考虑在梁中设置伸缩 缝 无桥台斜腿刚架桥与刚架拱桥的受力有相似之处 但刚架拱桥每孔必须设 7 武汉理工大学硕士学位论文 置两条伸缩缝 孔数愈多 伸缩缝愈多 而多孔无桥台斜腿刚架桥 一般只需 在桥的两端各设一条伸缩缝 这就明显优于刚架拱桥 例如茂名市官渡大桥 汉川新河桥均为3 孔无桥台斜腿刚架桥 两桥全长都在l o o m 以上 仅在桥两端 设置伸缩缝 通车多年 运行情况良好 3 墩梁固结 可以节省昂贵的支座 继而维护费用少 降低后期投资 4 造型简洁美观 造价比较低廉 无桥台斜腿刚架桥由朴实的线形组成的梁 斜腿和边斜杆构成 简洁 坚 固 有力 集中体现了以最少的构件组成简单的桥型这一基本的美学原理 其 上下部配置恰当 紧凑 力的传递清晰 连贯 明朗 富有力的紧张感和强烈 的轻快感 同时 随着两斜腿之间的距离向地面拓宽又给人以稳定感 从仿生 学的角度看 其结构形式像奔跑中的动物 均有强烈的动势 给人凌空腾跃感 和生命感 它用于高等级公路的跨线桥 无需设置中墩 目前用普通钢筋混凝土 修建的无桥台桥梁 其跨径已达5 0 m 桥下视野开阔 利于行车 由于主梁单 跨即可跨越被交路线 因而相对其他梁式桥来说 桥长大为缩短 如武汉绕城 公路黄陂互通2 号 3 号桥 采用无桥台斜腿刚架桥方案 桥长分别从6 7 m 减少 到3 7 6 m 和从8 6 m 减少到6 2 8 m 由于这种桥型节省材料 对下构基础要求不高 因而经济效益相当显著 5 旖工工艺简单 旖工周期短 武汉绕城公路建设周期短 时间紧 部分桥梁采用无桥台斜腿刚架桥完全 可以满足其要求 对于桥下无交通要求的桥梁 由于无桥台斜腿刚架桥构件纤 细 采用简单的支架便可方便地旆工 对于桥下有交通 不能影响其通行的桥 梁 只需将两边的v 形刚架部分现浇后 中间挂孔采用预制装配法施工 而且 采用推力铰后 桥面无需设置伸缩缝 行车平顺 1 2 2 力学特点 1 桥型结构合理 受力性能好 整体刚度大 众所周知 拱桥的主要优点 在于主拱圈是压弯构件 因而可以做成较大的跨径 无桥台斜腿刚架桥 中孔 斜腿b b c c 及主梁b c 的受力与折线拱相似 均为压弯构件 在受力方 面保持了各杆件中有轴向压力的优点 但在构造上因没有传力结构而与梁式桥 很相近 因而 这种桥梁兼有拱式桥和梁式桥的某些优点 由于边斜杆的设置 桥梁端部具有强劲的支点 约束了梁端变位 因此不 8 武汉理工大学硕士学位论文 设桥台仍可以与桥头路基衔接良好 这个受力特点在许多情况下减少了体积庞 大的桥台圬工 使工程量大为节省 该桥型两边均为凡何不变的三角体系 虽 然结构杆件较纤细 但桥梁的整体刚度仍然很大 这对提高桥梁承受外荷载 避免局部应力过大和抑制裂缝产生是极为有利的 已建成的无桥台斜腿刚架桥 有些已建成通车l o 余年 运行情况良好就说明了这一点 此外 由于边斜杆亦为压弯构件 其水平分力可以平衡斜腿中的部分水平 分力 使边墩承受的水平推力比斜腿刚架桥小 而竖向力又比斜腿刚架桥大 显著地改善了边墩的受力状态 为在软土地基上建桥创造了有利条件 1 3 1 4 1 2 主梁受力小 由于斜腿给主梁提供了中间支承 使主梁由简支梁成为支 承上的三跨连续梁 从而大大减小主梁所受的弯矩 在没有中间支承的情况下 若主梁总跨长为 梁上均布荷载为口 跨中弯矩为m 则 m 吉 2 o 1 2 5 q t 2 1 一1 o 1 在斜腿上端将主梁分为三等分的情况下 中跨长为 则跨中弯矩 暂将弹 j 性支承视为刚性 膨 并按连续梁考虑 m 2 o 0 5 9 圭 2 0 0 0 5 5 6 q 1 2 1 2 j 即 m z 0 0 0 5 5 6 l 1 3 j l z o 1 2 5 2 2 5 可见 无桥台斜腿刚架桥的主梁正弯矩比相应的简支梁减少很多 因而其 具有更大的跨越能力 如黄陂互通1 号桥 跨径 两桥墩中距 达5 6 m 采用部分 预应力混凝土 单孔跨越高速公路 避免了其他梁式结构设置中墩之弊 还可 以显著降低建桥的费用 t 5 1 6 1 3 带挂孔的无桥台斜腿刚架桥 图1 1 b 所示的无桥台斜腿刚架桥 在设计和施工方面存在不足之处 主要 表现在 1 不便于工业化施工 导致施工周期较长 施工费用较高 当桥下不能中 9 武汉理工大学硕士学位论文 断交通难以搭设施工支架时 不宜采用这种现浇形式 2 在荷载作用下 主梁中弯矩分布主要取决于桥梁的分跨比和截面的变化 规律 当桥梁的分跨比受限而出现正 或负 弯矩过大时 设计者不易调整 为了便于工业化施工 并有利于调整主梁中最大正负弯矩的比值 可以在 主梁中设置挂孔 即采用在适当位置设置推力铰 1 l is 推力铰能正常传递梁中的 推力和剪力 但不能传递弯矩 的方法 图1 2 a 所示带挂孔的无桥台斜腿刚架桥 在施工阶段挂孔搁置在主梁的悬 臂端部 成简支状态 此时计算简图如图1 2 b 安好挂孔后 将挂孔和主梁上 半部的纵向钢筋相互焊接 并用混凝土锚固 故在运营阶段 铰处上半部结构 连续 其计算图式如图1 2 c 计算时要注意 在施工阶段 中跨的铰为 剪力 铰 而在运营阶段则为 推力铰 在图1 2 中 通过调整挂孔的长度k 可以改变最大正负弯矩的绝对值 从而改善梁中的受力状态 例如 加大挂孔的长度l o l a 减小 梁中的正弯 矩增大 负弯矩 绝对值 减小 反之 减小挂孔的长度 l a 增大 则梁中的 负弯矩增大 正弯矩减小 一般l a 采用0 2l 2 l l o 6l 2 时 桥梁受力比较 有利 施工时利用铰作为分段缝 将图l 2 所示无桥台斜腿刚架桥分成三个部分 桥墩上部由主梁 斜腿和边斜杆组成v 形部分 简称v 形刚构 可以采用预制 装配法和现浇法施工 挂孔部分则一律采用预制安装法施工 采用预制构件后 只需在桥墩部分搭设较少的支架 可显著节省支架费用 缩短建桥周期 同时 通过变更铰的位置调整最大正 或负 弯矩的比值 使梁的受力更加合理 1 4 推力铰 在以往的工程实践中 常用剪力铰 这种铰只能传递剪力 设铰处存在挠 度较大 行车不平稳及伸缩缝容易损坏等弊端 推力铰 1 7 1 s l 图1 3 由于上半 部结构联成了整体 它能正常传递推力和剪力 可以克服剪力铰的各种弊端 此外 由于推力铰保留了无桥台斜腿刚架桥中可贵的推力 对结构受力有利 l o 武汉理工大学硕士学位论文 07 7 一一 燃 瞧丑 7 一 b 施工阶段计算田武 图1 2 带挂孔的无桥台斜腿刚架桥 图卜3 推力铰的构造 7 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章典型无桥台斜腿刚架桥的设计优化 2 1 概述 在进行桥梁结构设计时 一般先根据使用要求 跨径大小 桥面净宽 荷 载等级 施工条件等基本资料 运用对结构物的构造知识并参考已有桥梁设计 经验来拟定结构和细部尺寸 然后对各构件进行配筋设计和构造之间的连接设 计 最后对结构进行强度 稳定性 裂缝和刚度验算 以此来判断原先拟定的 尺寸是否符合要求 对结构进行验算后会出现下面四种情况之一 l 结构体系受力不合理 导致结构整体或局部不易满足要求 此时应首先 改变结构体系 重新拟定结构尺寸 2 结构体系受力合理 但局部构件某一方面未满足要求 例如某一构件的强 度 刚度及稳定性均合乎要求 但裂缝宽度超过容许值 此时可在不改变结构 体系的前提下 对结构整体布局作合理的调整或对局部构造加以修改 3 验算结果虽然符合要求 但结构的某些部位尺寸尚不合理 例如某部位 尺寸拟定过大而导致配筋很小或根据计算不需配筋 但结构设计时又必须采用 最小配筋率 这样混凝土用量较多 或者尺寸拟定得过小而导致配筋率过大 钢筋密集施工不便 类似上述情况既不经济 也给施工造成困难 应对局部尺 寸加以修正 4 验算结果符合要求 但结构整体或局部尺寸尚可进一步优化 使之受力 趋于最合理状态或者使各部位尺寸趋于最经济状态 对于这种情况 可修改或 不修改尺寸 具体由设计者根据实际情况决定 所以 结构设计是一个逐步接近 不断优化的过程 特别是对一个特殊的 结构设计 结构初步拟定的尺寸是否合理直接关系到整个结构设计的工作量大 小 构造设计是结构设计首要的和重要的一个环节 在进行构造设计时应考虑 桥梁结构的使用要求 受力要求 美观和施工要求等因素 合理的构造设计可 以起到少走弯路 事半功倍的效果 对于简支梁 连续梁等常用桥梁结构型式 其构造设计均比较成熟 在初 步拟定结构尺寸时 有很多资料 标准图或定型图 可以参考 所以在进行结构设 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 计时一般都可以一气呵成 或只有很小的尺寸调整 无需反复 无桥台斜腿刚架桥是一种新型桥梁 其受力比简支梁桥 连续梁桥 直 斜腿刚架桥复杂 各部分受力除了与跨径布置有关之外 还与各部分的刚度 斜腿及边斜杆的倾角等等有关 如某部位尺寸不合理 可能会导致整个结构受 力不合理 或某些构件验算不合乎要求 所以对各部位尺寸的拟定 要统筹考 虑 全面分析 以求得结构设计趋于合理和接近最优状态 2 2 跨径的优化 三孔连续梁各孔跨径的划分 通常按照边跨与中跨最大弯矩趋于相等的原 则来确定 使边跨与中跨的梁高与配筋接近协调一致 所以一般连续梁边中跨 比为o 6 5 o 8 1 这样处理也突出了中孔 显得比较美观 见图2 i 单孔不设铰的无桥台斜腿刚架桥受力与三跨连续梁有相类似之处 即主梁 部位弯矩分布规律与三跨连续梁基本相同 但主孔中有较大的轴向压力 对结 构受力有利 主孔跨径可以相应增大一些 副孔中存在一定的拉力 属弯拉受 力构件 对结构受力不利 所以跨径宣减小一些 对于高路堤填土情况或跨越 高等级公路的跨线桥 进一步增大主孔跨径而减小副孔跨径 可获得较大的桥 下净空 桥型结构也显得轻巧美观 1 9 1 a b 图2 i 无桥台斜腿刚架桥与连续梁桥 对于t 型截面的装配式简支梁桥 采用焊接钢筋骨架 梁肋宽b 2 0 c m 左右 其单孔跨径一般不超过2 5 m 跨径再增大 虽然强度可以满足要求 但裂缝宽 度可能超过规范容许值 对于无桥台斜腿刚架桥的主孔 其正弯矩区段一般为 0 6 5 厶 考虑到中孔虽然为压弯构件 对结构有利 但如采用整体现浇法施工 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 梁肋宽最小为2 5 3 0 c m 自重加大导致弯矩增大 其不利影响 综合考虑 认 为中孔正弯矩最大长度为2 5 m 所以对普通钢筋混凝土 中孔最大跨径可近似 按下式估算 一厶 羔删聊 初步考虑为 若梁肋宽b 2 0 c m 左右时 中孔最大跨径n l a x 厶 4 0 m 若梁 肋宽度b 3 0 6 5 c m n l a x 厶 3 5 m 左右 副孔中正弯矩区段一般为o 8 厶 n 瞰厶 嚣 2 5 m 考虑到副孔有一定的轴向拉力 且梁肋宽一般b 3 0 6 5 c m 所以副孔最大跨径m a x f i 2 0 m 对于设铰的无桥台斜腿刚架桥 主孔中的挂孔可以采用预制装配式简支梁 板 对于t 梁挂孔最大跨径m a x l o 2 0 m 按m a x g 3 5 m 考虑 则m a x 按 下式估算 2 t l o 厶 m a x l 生鱼 5m 3 5 2 堡0 7 22 而t 厶 7 5 3 5 0 2 1 铰的位置刚好在不设铰情况下弯矩为零附近 所以 最大厶以7 5 m 为宣 此外 调整铰的位置 尚可能动地调节主梁中各截面内力 的变化 使各截面受力趋于合理和接近最优状态 2 3 主梁梁高的优化 在梁高不受限制范围内 应根据具体情况寻求最经济的梁高 减小梁高 混凝土用量降低 但钢材用量增加 反之 增大梁高 钢材用量可以减少 但 混凝土用量有所增加 所谓 经济梁高 即要求其总的造价为最低时的梁高 我国钢材比较昂贵 所以一般采用较大的梁高 但对于城市桥梁宜采用偏低的 梁高 配筋率可大一些 因为梁高增大会导致引桥长度增加 反而使整个桥梁 造价增长 无桥台斜腿刚架桥主梁一般采用变截面梁高 梁底可采用折线形或曲线形 曲线形通棠采用二次抛物线或圆曲线 比较美观 对于主孔跨中梁高h 1 3 0 1 4 0 l l 为两桥墩的中距 考虑到主孔中有 轴向压力 与受弯构件相比较可以减少钢筋用量 故主孔跨中梁高可偏低取用 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 建议主孔日 1 2 5 i 3 5 z 2 对于副孔 虽然其跨径比主孔小 但为弯拉受力 构件 且考虑到协调美观及梁底纵向钢筋布设方便 其跨中梁高采用与主孔相 等的跨中梁高 其端支点负弯矩很小 像连续梁一样从跨中至端支点均采用相 同的梁高 对于斜腿支承处的主梁 因承受较大的负弯矩和剪力 其梁高一般 取用跨中梁高的1 5 2 0 倍 跨径较小时取用较小的比值 2 4 斜腿倾角和尺寸的优化 斜腿的主要作用有 一是斜腿的轴向力可分解一个水平力 使两斜腿之 间的主梁承受水平压力 即 免费预应力 二是斜腿可加大桥梁的跨越能力 计算结果表明 斜腿倾角变化对主梁弯矩和剪力影响小 对轴力影响大 斜腿越坦 主孔中轴力越大 对主孔受力有利 但相应在副孔中拉力也在增长 对 副孔受力不利 对于斜腿合适的倾角a 4 5 5 5 边斜杆由于埋入路堑边坡 与边坡同坡度取用4 5 斜腿及边斜杆由于轴力较大 而弯矩较小 所以其截面高度比主梁高度可 适当小一些 但对于高斜腿 若截面尺寸过小 纵 横向稳定性难以满足要求 或其配筋率过大而不经济 图2 2 无桥台斜腿刚架桥主要尺寸示意图 通常边斜杆截面做成等高度 图2 2 一般c 0 4 o 8 日 斜腿下端h 0 4 0 8 日 此处h 为主孔跨中梁高 斜腿上端弯矩较下端大 一般日 i 2 1 5 日 这样也使整个桥型显得轻巧美观 对于主梁为t 梁的情况 当采用一 片斜腿支承一片主梁 并且斜腿较长时 拟定截面尺寸应考虑稳定性问题 截 面高度一般要比上述考虑要大一些 具体由计算确定 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 横截面的优化 无桥台斜腿刚架桥常采用板式 t 形和箱形截面 图2 3 小跨径可采用板 式截面 中等跨径采用t 形截面 图2 3 a 跨径较大时采用箱形截面 图2 3 e 板式截面常采用矮肋式 图2 3 b 以减轻自重 同时也比较美观 b 一 l 一 l l 一i 一 l 一i c 图2 3 无桥台斜腿刚架桥横断面形式 斜腿与主梁固结 斜腿上端横向宽度可与t 梁梁肋或箱梁底板同宽 一般 比梁肋或底板宽略小为宜 便于斜腿主筋伸入主梁 对于矮肋式截面和箱形截 面情况 斜腿做成上端宽 下端窄形式 这样处理的好处是 符合弯矩上大 下小的力学原理 节省了混凝土用量 减轻了自重 显得轻巧美观 坚实 稳重 对于t 形截面情况 斜腿上 下端横向可做成相同宽度 当斜腿高度超 过l o i n 时 可在斜腿中部加设一道横系梁 以减小柱的长细比 增强其纵横向 稳定性 当t 梁片数较多时 可采用宽斜腿方案 即一片斜腿支承两片t 梁 斜腿做成上宽下窄的形式 从截面抗弯性能要求 一般宜尽量减薄腹板宽度 而增大主梁高度 以减轻自重并获得较大的截面抵抗矩 对无桥台斜腿刚架桥 的主梁 由于要承受正 负弯矩 所以要求横截面上 下缘部分均要提供足够 的承压面积 这对于板式 含矮肋式 和箱形截面均能满足要求 对于t 形截面情 况 与斜腿固结处的主梁有较大的负弯矩和剪力 从满足承担负弯矩和抗剪截 面最小尺寸要求 梁肋宽度均不能过小 对于就地浇筑的t 形截面 为便于绑 扎钢筋及浇筑混凝土 梁肋宽度一般不小于2 5 3 5 e m 跨径较大时可采用5 0 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 6 0 c m 由于梁肋较宽 又为整体现浇法施工 所以主梁之间的间距可以偏大取 用 一般为2 5 3 o m 但要设置承托 以减轻自重 2 6 横系梁及牛腿的优化 横系梁可使各片主梁连接成整体 在荷载作用下使各主梁能共同工作 对 于无桥台斜腿刚架桥 边斜杆及斜腿上端与主梁固结 固结处有较大的支承反 力 且受力复杂 所以无论是矮肋式 t 形截面 还是箱形截面 固结处的横 系梁是必不可少的 对于t 形截面情况 主孔部分属于偏压构件 主梁中有较 大的轴向压力 而t 梁沿横向抗弯刚度较低 为了防止其横向失稳 跨中一般 要设置横系梁 且主孔跨径较大时才考虑在主孔1 4 处加设横梁 副孔虽为弯 拉构件 但由于t 梁主梁横向间距较大 一般为2 5 3 o m 为了改善桥梁的 受力状况 一般要设置 对于箱形截面情况 由于其本身抗弯 纵 横向 和抗扭 能力均较大 故在主孔 副孔跨中可不设中横梁 对于边斜杆上端的端横梁 由于设置搭板与路堤衔接 可做成牛腿形式 对于跨中设铰情况 设铰处的横梁也做成牛腿形式 对于肋式高斜腿 为增强 其横向稳定性 须设置横系梁 对于宽斜腿情况 不必设置 主梁横梁可做成与主梁同高或3 4 主梁高度 对于t 形截面情况 主梁肋 宽一般不小于2 5 3 0 c m 且主梁间距较大 2 5 3 o m 所以横梁肋宽不小于 2 5 c m 跨中一般为2 5 3 0 c m 斜腿固结处及牛腿端横梁可做成4 0 6 0 e m 以 加强固结处的刚度 肋式斜腿横系梁可做成2 5 3 0 c m 的正方形截面 2 7 铰与不设铰的比较 由前所述 无桥台斜腿刚架桥设铰之后 将给施工带来方便 提高工业化 施工的程度 同时也给设计人员调整结构内力 做出合理的设计提供方便 设 铰之后 结构的赘余约束减少 使得结构在温度变化 混凝土收缩 桥墩变位 等因素作用下不会产生过大的内力 特别在地质不良地段建桥 降低超静定次 数可以进一步减小桥墩变位所产