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第十二章组合体系桥 组合体系桥combined systembridge 主要承重构件采用两种独立结构体系组合而成的桥梁 如拱和梁的组合 梁和桁架的组合 悬索和梁的组合等 组合体系可以是静定结构 也可以是超静定结构 可以是无推力结构 也可以是有推力结构 结构构件可以用同一种材料 也可以用不同的材料制成 常用的结构形式有 拱 梁组合体系桥 均为简单的拱梁组合体系有 单跨无推力结构 如系杆拱 即刚性拱和柔性拉杆的组合 刚梁柔拱 又称郎格尔梁 为奥地利郎格尔所创始 刚梁刚拱 又称洛泽梁 为德国H 洛泽所创始 较复杂的拱 梁组合体系为多跨布置的无推力或有推力的结构体系 如台湾关渡桥 为5孔连续中承式拱梁组合体系公路桥 主跨165米 1983年建成 梁 桁架组合体系 桥面荷载直接作用在弦杆上 弦杆如同一个桁架节间长的实腹梁 索 梁组合体系 如有加劲梁的悬索桥 如布鲁克林桥 和斜拉桥 如南浦大桥 杨浦大桥 均属此类体系 德国费马恩海峡桥 组合体系桥并不是简单地将两种或两种以上的基本结构体系组合在一起 当我们将不同结构体系组合在一起时 首先要考虑这种组合是否能获得优势 这种优势是否有价值 其次还要考虑到 各种基本体系桥均有不同的特点 也有各自不同的适应性 当他们组合在一起并获得某些优势时 也常常带来一些新的问题 这些新的问题是否可以通过采取一些措施来解决 我国跨度最大的公铁两用桥 芜湖长江桥 大桥主跨312米 三拱如虹飞架天塹 九江长江大桥 我国第一座斜腿刚构桥 安康汉江桥 我国铁路最大跨度的钢筋混凝土拱桥 永定河7号桥 上海卢浦大桥 箱形钢拱结构 主跨550m 贵州水柏铁路北盘江大桥 提篮上承式钢管混凝土拱桥 主跨236m 桥高280m 12 1预应力混凝土梁拱组合体系桥 预应力混凝土梁拱组合体系桥一般由拱肋 吊杆 或立柱 加劲梁和桥面系等组成 拱肋与加劲梁刚性连接 拱肋和加劲梁为主要承重构件 拱肋承受轴向压力和弯矩 加劲梁承担拱肋传来的拉力 同时也承受弯矩 加劲梁通常也称为系杆 相应地也将此种组合体系桥称为系杆拱桥 a 柔梁刚拱 b 柔拱刚梁 c 刚梁刚拱 优点 1能充分发挥混凝土受压性能 造价低廉2以梁式桥为外部条件 拱的水平推力由梁承担 克服了拱桥对地基要求高的缺点 3桥型合理 施工方便 造价较低 以及造型轻巧美观 变化多样 分类 1结构图式 简支梁拱 悬臂梁拱和连续梁拱组合体系桥2桥面的位置 上承式 下承式和中承式 3拱肋结构 钢管混凝土或钢筋混凝土 4与加劲梁的相对抗弯刚度大小 柔梁刚拱 也称柔性系杆刚性拱 柔拱刚梁 也称刚性系杆柔性拱 刚梁刚拱 也称刚性系杆刚性拱 简支梁拱组合体系桥 在简支梁上设置加强拱 梁端结点刚接 其间布置吊杆只用于下承式外部为静定结构 内部为高次超静定结构主要承重构件除拱肋外 还有加劲纵梁 它与横梁组成平面框架 由吊杆上下联系以达到共同受力的目的 跨间剪力主要由拱肋轴力的垂直分力所平衡 加劲纵梁的拉力H与拱内水平分力组成力矩 平衡截面内的简支梁弯矩 若拱轴线的纵坐标为 拱和梁的弯矩分别为和 则根据平衡条件有 一般经济适用跨径在40 120m范围内 悬臂梁拱组合体系桥 一般适用经济跨径在40 80m范围 它实际上是将单悬臂梁桥的实腹梁部分挖空 用立柱代替腹板 由空腹代替实腹 结构受力明确 上弦为加劲梁 承担拉力和局部弯矩 下弦为拱 承受压弯作用 立柱主要传递轴力 加劲梁中配置的预应力束大部分是直束 可以减少摩阻损失 提高预应力束效率 适用于上承式 属外部静定结构 混凝土徐变和张拉预应力时支座不会产生附加反力 主跨L及锚跨L1间需满足一定比例 一般需要满足L L1 1 0 7 0 8 保证锚跨有足够的长度 防止悬臂梁绕中央墩倾覆 为了避免锚跨出现较大的正弯矩区域 导致预应力束线形复杂 也可将锚跨缩短至L1 0 5L 但必须设置平衡重 或将相邻引桥跨压在锚跨末端 以避免活载作用产生负反力 同时需验算倾覆稳定性 缺点 在活载作用下悬臂梁的挠度线与简支梁间的线型不连续 由于转折点存在容易跳车 特别是预拱度不足的情况 悬臂端局部弯折下挠 使这种跳动加剧 会造成行人的不安全感 在交通繁忙的线路上不宜推荐这种桥型 连续梁拱组合体系桥 连续梁拱组合体系桥是以连续梁为基体 采用拱来加强 分担梁的弯矩 梁内配置纵向预应力筋 以平衡拱对梁产生的水平力 在边跨拱肋与中跨拱肋交点处 在拱座位置上两者水平力基本上处于平衡 其微小差量由中间支座摩阻力承担 当不设支座时由柔性墩承担 剪力主要由拱轴力的垂直分力承担 一般情况下 剪力不再控制断面设计 梁的纵向预应力筋一般全桥统一布置 采用直束的形状 减少预应力筋的摩阻损失 同时长束节省锚固设施 降低造价 连续梁拱组合体系桥与连续梁桥比 降低了材料指标 特别是腹板的混凝土材料以及预应力束的锚具等 同时也克服了拱桥存在外部超静定水平约束 对地基要求较高的缺点 1 上承式连续梁拱组合体系桥 受力特点 加劲梁 承担拉力及局部弯矩拱肋 承担轴压力及弯矩 拱肋轴力的垂直分力承担剪力立柱 传递压力空腹范围内加劲纵梁产生的拉力与拱内水平分力组成力矩 平衡截面内的连续梁弯矩 同时连续梁中墩附近的高度依靠拱来加大 使跨中弯矩减小 中墩处负弯矩产生的梁内拉力由预应力平衡 一般边跨与主跨之比为 0 5 0 7 1适用经济跨径在50 120m范围 2 中承式连续梁拱组合体系桥 中承式连续梁拱组合体系桥一般由三跨组成 包括二个半拱 一个全拱和通长的加劲梁 其间设置立柱和吊杆 力学特点 在负弯矩区用桥面以下两组主拱腿来加强 在桥面以上正弯矩区用一组拱肋来加强 连续刚梁不仅承担弯矩与剪力 而且还需以轴向拉力来平衡拱的推力 一般边跨与主跨之比为 0 25 0 5 1 由于中承式连续梁拱组合体系桥结构布置合理 造型美观 施工方便 是目前我国在梁拱组合体系桥的设计与建造中采用较多的一种桥梁形式 其适用经济跨径在60 250m范围 3 下承式连续梁拱组合体系桥 下承式连续梁拱组合体系桥实际上为三跨变截面连续梁 中孔用全拱来加强力学特点 梁拱的弯矩按刚度分配 通过拱的加强 显著地减小了中跨主梁的弯矩 使得加劲梁的建筑高度可以大幅度减小 两个边跨由于受到中孔拱的刚度影响 减少了正弯矩的负担 扩大了负弯矩的区域 有利于配置预应力束 适用经济跨径在40 120m范围 重庆朝天门大桥 钢桁拱 主跨552m 重庆菜园坝大桥 钢箱提篮拱与Y构组合 新光大桥 飞雁式钢箱桁架系杆拱与V形刚构组合 428m 宜万铁路万州长江大桥 钢桁拱铁路桥 主跨360米的刚性拱柔性梁的钢桁拱桥 大胜关大桥 六跨连续钢桁拱桥 109 192 2 336 192 109 m 三桁承重结构 广州丫髻沙大桥 三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥 主跨360m 佛山东平大桥 钢拱连续梁协作体系 主跨300m 中承式钢管混凝土拱桥 中承式钢管混凝土拱桥 德奥斯特利茨高架桥 全长140米 沃克苏尔桥 VauxhallBridge 跨越伦敦泰晤士河 全长247米 12 2部分斜拉桥 漳州战备大桥2001年10月 1部分斜拉桥结构形式及构造特点 由塔 梁 索三部分组成部分斜拉桥结构形式和构造上又有显著的特点 主要体现在塔的高度较矮 主梁刚度大和斜拉索布置较为集中等方面 塔高h一般采用主跨L0的1 8 1 12倍 相当于斜拉桥塔高的1 2 1 3 主梁一般宜采用变高度截面 跨中梁高一般在 1 54 1 69 L0之间 是同跨径斜拉桥梁高的2 2 5倍 塔墩处主梁根部梁高一般在 1 32 1 39 L0之间 斜拉索布置较为集中 通常布置在边跨跨中及1 3中跨附近 中跨跨中无索区长度通常在 0 129 0 224 L0之间 在桥跨布置上 主边跨跨度比例更接近连续梁 一般在0 42 0 62之间 结构体系可选用塔梁固结并在梁底设支座 塔墩固结并塔梁分离 塔梁墩固结三种形式 2力学特点与连续梁桥相比 由于斜拉索的存在 部分斜拉桥的主梁荷载弯矩远比同跨连续梁小 同时还要承受拉索传来的压力 一般斜拉桥 尤其当主梁较柔细时 是以梁的受压和索的受拉来承受竖向荷载 部分斜拉桥由于拉索较少 主梁主要承受弯矩 同时 因斜拉索倾角较小 主梁能获得较大压力 因此 斜拉索主要起到体外预应力束 降低一般刚构桥或连续梁桥支点梁高的作用 即加固主梁的作用 故也将此种桥称为斜索加劲预应力梁 部分斜拉桥的斜拉索应力变化幅度较一般斜拉桥小 可以不考虑疲劳问题 因此可以采用较高的张拉应力 3部分斜拉桥其他特点及适用性与连续梁相比 部分斜拉桥跨越能力较大 当中支点梁高相同时 部分斜拉桥跨度可比连续梁桥大1倍以上 对大跨度桥梁而言 相同跨度的部分斜拉桥比连续梁桥经济 与斜拉桥相比 部分斜拉桥优点有 塔的高度较矮 塔身结构简单 施工方便 斜拉索可采用较高张拉应力 主梁抗弯刚度大 可采用梁式桥施工方法 而无需象斜拉桥那样采用大型牵索挂篮 极大地方便了施工 结构整体刚度大 变形小 部分斜拉桥的适宜跨度在100 300m之间 若主梁采用钢与混凝土结构 跨径有望突破400m 海南省洋浦海湾大桥 12 3刚构 连续组合梁桥 连续刚构桥是墩梁固结的连续结构 它利用高墩的柔性来适应结构由预加力 混凝土收缩及徐变作用等引起的位移 减少由这些作用引起的结构次内力 然而 由于桥位地形因素及桥面标高限制等原因 某些桥墩高度较矮 刚度大 采用墩梁固结并不合适 如果在连续刚构桥的某些刚度较大的矮墩上布置活动支座 释放位移 就成为了刚构 连续组合梁桥 山东东明黄河公路大桥竣工于1993年10月大桥全长4142米桥宽18 5米是山东省最长的公路桥 享有 齐鲁第一桥 的美称 江泽民总书记于1993年5月24日为大桥亲笔题写了桥名 它是万里黄河入鲁的第一站 一 刚构 连续组合梁桥构造特点 刚构 连续组合梁桥是连续梁桥与连续刚构桥的组合 通常是在一联连续梁的中部数孔较高桥墩处采用墩梁固结的刚构 边部数孔为设置支座的连续结构 从构造上可分为在主跨中设铰 其余各跨梁连续和全联梁不设铰两种组合梁桥形式 后者通常称为刚构 连续组合梁桥 最为常见 前者则称为带铰的刚构 连续组合梁桥 刚构 连续组合梁桥上部结构通常采用变高度箱形截面 截面尺寸拟定原则与连续梁桥及连续刚构桥相似 桥墩可采用板式墩 双薄壁墩 V形墩等形式 刚构 连续组合梁桥通常采用预应力混凝土结构 二 刚构 连续组合梁桥的力学特性 在受力方面 刚构 连续组合梁桥上部结构具有连续梁特点 内力与连续梁桥较为接近 但在墩梁结合处仍有刚构受力特点 负弯矩比连续梁大些 桥跨结构应考虑混凝土收缩及徐变作用 温度作用等引起的次内力 在刚构 连续组合梁桥中 墩梁固结的桥墩高度对结构的内力与位移具有较大的影响 当桥墩较高时 桥墩的刚度减小 使主梁跨中截面的正弯矩 支点截面的负弯矩较接近相同跨径的连续梁桥的弯矩 温度作用产生的次内力较小 相反 当桥墩较矮时 由于墩的刚度较大 跨中截面的正弯矩将减小 支点截面的负弯矩将增大 温度作用产生的次内力也较大 三 刚构 连续组合梁桥其它特点及适用性 刚构 连续组合梁桥具有连续体系梁桥伸缩缝少 行车平顺等特点 有利于高速行车 与连续梁比 刚构 连续组合梁桥减少了造价较高的大吨位桥梁支座数量 减少了支座养护和更换的工作量 降低了使用期的维护费用 与连续刚构比 刚构 连续组合梁桥能有效地防止刚构过长而引起温度作用次内力过大的问题 刚构 连续组合梁桥通常适合于桥墩高度相差较大的情况 对于地势较平坦的大跨径 低矮 长联的桥梁 也可采用刚构 连续组合梁桥 但应采用变换桥墩刚度的方法 增加连续刚构部分桥墩的柔度 0 梁段三角形托架 双薄壁墩 V形墩 V形墩 东明黄河大桥 主桥为127 3X232 127 950m的五跨预应力混凝土刚构一连续组合梁体系 千岛湖大桥 千岛湖大桥 12 4其他组合体系桥简介12 4 1桁架拱桥桁架拱桥的上部结构一般是由桁架拱片 横向联结系和桥面三部分组成 桁架拱片是桁架拱桥的主要承重结构 由上弦杆 腹杆 下弦杆和拱顶实腹段组成 下弦杆为拱形 上弦杆一般与桥道结构组合成一整体而共同工作 在跨中部分 因上 下弦杆很靠近而做成实腹段 桁架拱桥通常采用钢筋混凝土结构或预应力混凝土结构 只用于跨度不大的城市桥梁或次等级公路 拱形结构的水平推力大大减少了跨间弯矩 同时 利用拱上结构与拱圈形成桁架 使之整体受力 能充分发挥各部分构件的作用 因此 桁架拱桥具有结构受力合理 整体性强 节省材料 自重较轻等特点 同时 桥梁大部分构件是预制安装的 施工工序少 吊装能力适应性强 工期较短 缺点 拱脚有推力 对地基要求较高 构件纤细 施工和运输均须仔细小心 模板较复杂 钢筋混凝土结构的节点处 拉杆及实腹段下缘出现裂缝 桁架拱桥 桁架拱桥 桁架拱桥 桁架拱桥 桁架拱桥 桁架拱桥 桁架拱桥 桁架拱桥 12 4 2刚架拱桥刚架拱桥是由刚架拱片 横系梁和桥面系组成 刚架拱片是刚架拱桥的主要承重结构 一般由跨中实腹段的主梁 空腹段的次梁 主拱腿 主斜撑 次拱腿 斜撑