《桥梁工程(第3版)》课件 第8章 混凝土刚架桥

第8章混凝土刚架桥8.1概述

桥跨结构(主梁或板)和墩台(立柱或竖墙)整体相连的桥梁称为刚架桥(Rigid-FrameBridge)。由于两者之间的刚性连接,在竖向荷载作用下,刚架桥具有以下受力特点(如图8.1):

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①主梁端部产生负弯矩,从而减少了跨中的正弯矩,跨中截面尺寸可相应减小。 ②支柱除承受压力外,还承受弯矩,所以支柱一般为钢筋混凝土构件。 ③支柱脚将产生水平推力,这就需要有良好的地基条件,或用较深的基础(如桩基础、沉井基础等)和特殊的构造措施来抵抗水平推力。

刚架桥的主梁高度一般比梁桥小,通常适用于需要较大桥下净空或建筑高度受到限制的情况,如立交桥、高架桥等。2图8.1刚架桥的受力特点(a)弯矩图;(b)反力图3刚架桥的主要优点是:外形尺寸小,桥下净空大,桥下视野开阔,混凝土用量少。但钢筋用量较大,基础造价较高。

刚架桥按跨数可以分为单跨刚架桥和多跨刚架桥。多跨刚架桥的主梁,可以做成连续式或非连续式,即连续刚构和T形刚构。

单跨刚构桥的支柱可以做成支柱式(图8.2(a),(b),(c))或斜柱式(图8.2(d),(e))两种,前者称之门形刚架(或门式刚架),后者称之斜腿刚架。4图8.2单跨刚构桥类型5为了抵抗水平反力,可用拉杆连接两根支柱的底端(图8.2(b)),做成封闭式刚架。门形刚架也可两端带有悬臂(图8.3(b)),这样可减少水平反力,改善基础的受力状态,且有利于和路基连接,但增加了主梁的长度。

与拱桥类似,斜腿刚架中压力线和各部分构件的轴线相近,故其所受的弯矩比门形刚架要小,同时缩短了主梁跨度,但支承反力有所增加,而且斜柱的长度也较大。当桥下净空要求为梯形时,采用斜腿刚架是合适的,它可用较小的主梁跨度来跨越深谷或其他线路(图8.3(c))。国外有不少跨线桥或跨越山谷桥均采用斜腿刚架,不仅造型轻巧美观,施工也较拱桥简单。6图8.3单跨刚构桥的形式7为减少斜腿刚架桥的桥台,可设边拉杆,成为无桥台V形刚架桥,同时也减小了跨中正弯矩和挠度,如图8.4所示。图8.4无桥台V形刚架桥8刚架桥按支柱支承形式划分为有铰接刚架桥(图8.2(a),(b),(d),(e))和固接刚架桥(图8.2(c))两种。固接刚架桥的基础要承受固端弯矩,其次内力较铰接刚构桥大许多,但主梁弯矩可减小。铰接刚架桥中铰的构造和施工都比较复杂,养护也比较费时。98.2.1一般构造特点

与梁式桥相同,刚架桥主梁截面形式有板式、肋梁式、箱形等几种形式。主梁截面沿纵桥方向可做成等截面、等高变截面和变高度三种。有时还可把主梁在不同位置做成几种不同的截面形式,以适应内力变化和方便施工。例如,主梁跨中段做成肋式,支承段做成箱形。小跨刚架桥宜采用等高度主梁,以方便施工。变高度主梁的底缘形状有:曲线形、折线形、曲线加直线等,主要根据主梁内力的分布情况按等强度原则选定。为保证底板的刚度,在下缘转折处一般均设置横隔墙(详见节点构造)。

8.2单跨刚构桥的构造特点10

支柱有薄壁式和立柱式,如图8.5所示。立柱式中又可分为多柱和单柱。多柱式的柱顶通常用横梁相连形成横向框架,以承受侧向作用力。当立柱较高时,尚应在其中部用横撑将各柱连接起来。当桥梁很高时,为了增加其横向刚度,还可做成横向倾斜立柱,如图8.6所示。支柱的横截面可以做成实体矩形、I字形或箱形等。对于单柱式,其截面要与主梁截面相配合,腹板要尽可能与主梁腹板布置成一致,以利传力。11图8.5支柱形式12图8.6横向倾斜支柱138.2.2刚架桥的节点构造

支柱与主梁相连接的部位称为角隅节点或隅节点。为保证主梁和支柱之间的刚性连接,节点自身必须具有强大的刚度。由于隅节点和主梁或支柱相连接的截面承受很大的负弯矩,因此节点内缘的混凝土承受很高的压应力,节点外缘的钢筋承担拉应力,如图8.7所示压力和拉力形成一对强大的对角压力,对隅节点产生劈裂作用。14图8.7隅节点受力示意图15对于板式主梁刚架,可在节点内缘加梗腋(图8.8),以改善其受力情况,而且可以减少配筋以利施工。隅节点的外缘钢筋必须连续绕过角隅之后锚固。

对于肋式主梁的刚架,其隅节点加设梗腋的方法如图8.9所示:图(a)仅在桥面加设梗腋,图(b)仅在梁肋加设梗腋,图(c)桥面和梁肋都设梗腋。必要时还可在主梁底缘加设底板,使隅节点附近的主梁成为箱形截面(图8.10)。对于支柱也可照此办理。这样就可大大增加受压区的混凝土面积,改善受力情况。16图8.8板式主梁刚架隅节点处梗腋图17图8.9加梗腋的肋式主梁18图8.10主梁加设底板19

当主梁和支柱都为箱形截面时,隅节点可做成图8.11所示的3种形式:图(a)式仅在箱形截面内设置斜隔板;斜隔板抵抗对角压力最为有效,传力直接,施工简单,但主筋的布置不如图(b)和图(c)方便。图(b)式设有竖隔板和平隔板,传力间接,受力情况较差,但构造和施工较简单。图(c)式兼有竖隔板、平隔板和斜隔板,节点刚强,布置主筋也较方便,但施工很麻烦。采用图(a)式时,斜隔板应有足够的厚度。有时,为了使隅节点有强大的刚性,并简化施工,也可将它做成实体。20图8.11箱形截面刚架节点形式21斜腿刚架桥的斜腿与主梁相交的节点,根据截面形式的不同,可以做成图8.12所示的两种形式。图8.13所示为一种预应力钢筋布置的形式。图8.12斜腿与主梁相交的节点形式22关于隅节点的配筋(图8.14),当采用普通钢筋混凝土时,一定要有足够的连续钢筋绕过隅节点外缘,否则,外缘混凝土由于受拉会产生裂缝。对于受力较大的节点,在对角力的方向要设置受压钢筋,在和对角力相垂直的方向要设置防裂钢筋。如果是预应力混凝土刚架桥,与隅节点相邻截面的预应力钢筋宜贯穿隅节点,并在隅角内交叉后锚固在梁顶和端头上。预应力钢筋锚头下面的局部应力区段尚应设置箍筋或钢筋网,用以承受局部拉应力。对于加设梗腋的隅节点,要设置与梗腋外缘相平行的钢筋。23248.2.3铰的构造

刚架桥的铰支座,按所用的材料分为铅板铰、混凝土铰和钢铰等。

铅板铰就是在支柱底面与基础顶面之间垫铅板,中设销钉,销钉的上半截伸入柱内,下半截伸入基础内(图8.15),利用铅容易产生变形的特点形成铰的转动作用。铅板的承压强度不高,一般仅容许承受100～150MPa

的压应力,而且造价比混凝土铰高,养护不便。2526

钢铰支座一般为铸钢制成,其构造与梁桥固定支座相同。

混凝土铰(图8.16)是在需要设置铰的位置将混凝土截面骤然减小(称为颈缩),使截面刚度大大减小,因而该处的抗弯能力很低,可产生结构所需要的转动,这样就形成了铰的作用。同时由于截面的骤然颈缩,压力线相应地产生横向压力。该横向压力对铰颈混凝土起套箍作用,使混凝土处于多轴受压状态,从而大大提高了铰颈处混凝土的抗压强度,故此铰颈截面的尺寸可以很小却能承受较高的压力,而且铰颈截面尺寸较小,对铰的转动有利。27颈截面可不设钢筋,或仅设置直径较细的纵向钢筋。钢筋穿过铰颈截面的转动轴,这样对转动的阻碍最小。

混凝土铰是一个简单经济的构造形式,但其转动性能仍受到一定程度的约束,转角较大时会使铰颈截面混凝土产生裂缝。铰288.2.4刚架桥的主要尺寸

刚架桥的主要尺寸是主梁跨度和高度、支柱高度和厚度以及桥的横向宽度。这些尺寸决定了主梁和支柱的刚度及两者的比例。主梁与支柱的刚度比则决定了刚架的内力分布。当主梁和支柱的刚度比很大时,也就是支柱相对很柔时,支柱承担弯矩很小,主梁端部负弯矩很小,跨中正弯矩很大,趋于简支梁的情况;反之,如果刚度比很小,则主梁负弯矩增大,正弯矩减少,趋于固端梁情况。显然,刚度比还影响到基础的水平推力和次内力的大小。此外,在确定主梁和支柱尺寸时还应保证变形不得超过容许值。

带悬臂的门形刚架两端悬臂长约为中跨跨度的(1/7～1/3)倍。悬臂加大,端支柱弯矩和跨中正弯矩均可减小,但主梁变形较大,中跨主梁弯矩变化也较大。

斜腿刚架桥斜腿的倾斜角度一般在40°～60°,边跨通常为中跨的0.45～0.55倍。无桥台V形刚架,边跨可达中跨的0.65～0.298倍。刚架桥的主梁高度,在大跨度预应力刚架桥中,通常多在1/40～1/30。当采用变高度梁时,端部梁高可为跨中梁高的1.2～2.5倍,甚至更高。加大端部的梁高,可使正弯矩减小和正弯矩区段减短,使主梁大部分承受负弯矩,这样大多数预应力钢筋布置在梁的顶部,构造和施工均较简单。

支柱在纵向的宽度可采用其高度的1/8～1/15,支柱较高时用较小的比值,较矮时用较大的比值。支柱在桥横向的尺寸要和主梁相配合,并考虑桥的横向刚度和稳定性。308.2.5示例

江西洪门大桥为单跨斜腿刚架桥,全长82m,主跨组成(19+40+19)m,如图8.17所示。图8.17立面及平面布置图(尺寸单位:cm)31主梁为竖直腹板单箱单室箱梁。行车道横坡由顶板倾斜形成,顺桥向箱底缘按二次抛物线变化。根据桥型布局及受力需要,中跨与边跨之比为2∶1。中跨肩部梁高2.8m,边跨肩部梁高2.55m,跨中及边跨端部梁高均为1.4m。斜腿为整体式钢筋混凝土箱形断面。脚趾先铰结后固结,使早期预加应力、混凝土收缩徐变产生的二次力矩得以释放,后期固结又可避免水流对铰的腐蚀。

全桥分为27个预制梁段,除跨中梁段两端设15cm湿接缝外,其余相邻段间设企缝(图8.18)。隅节点处横隔梁采用传力较好的三角形桁格式。跨中及边跨端均不设横隔梁,但在边跨端1～2m范围内箱梁腹板加厚。32图8.18施工分段及主梁预应力布筋33该桥的结构计算包括以下两个步骤。

1)估算

初算主梁各截面内力,以恒载+活载+温度控制。用下式初估预加力筋:

2)精确计算

①采用综合程序:将工况分为17阶段。悬拼时腿趾为简单铰,后期固结后结构由三次超静定转换为五次超静定。34 ②空间分析:采用Sap２5程序及空间梁单元分析程序分别对隅节点进行三维分析。由分析进一步肯定了隅节点处横隔梁设置的必要性,使约束畸变和横向局部弯曲得到明显的改善。悬拼时为体内布筋,布于顶板、腹板内,梁段预应力筋连接处需设槽口以供预应力筋连接。悬拼完毕后,在箱梁顶、底板的锚座上设置体外无粘结筋,张拉前就应穿入硬聚氯乙烯管内,锚固后压入水泥浆以防腐。35超过470kg/m。顶板抗负弯矩钢筋共28根,跨中正弯矩钢筋共38根,边跨正弯矩钢筋为10根。预应力筋均为直线型,见图8.18。

采用龙门吊两岸对称悬臂施工。预制场设在南昌岸约50m长的引道上。为减少收缩、徐变,要求在悬拼前一个月完成预制。隅节点梁段为现浇。箱梁混凝土水灰比应不大于0.4,水泥用量不3

精轧螺纹钢筋的连接口需在工地自制。每段工作端长度为21cm,钢筋连接时必须保证有8cm伸入连接器内。张拉时采用应力及伸长值双控。钢筋分批下料,确保已锚固的钢筋端部尽量不予切除,下料时应精确计算。钢筋裁好后应及时配备螺母锚具等并编号。张拉程序:张拉至初吨位(取控制张拉力8%～10%)5t→张拉至0.9Ry(54.3t,边拉边紧锚)维持控制张拉力2min,量伸长值b后紧锚→卸千斤顶。36土之前,用高强度水泥浆整平1×5m基础斜面。并设置简单铰所预制梁端悬拼时,企口端面应凿毛涂环氧树脂,涂时应防潮。预拱度的设置,逼近二次曲线。跨中取6cm,按二次曲线进行分配。箱梁拼装前应将斜腿及临时墩施工完毕。现浇斜腿C25混凝2需的钢筋网及钻打抗剪钢筋锚孔,孔径10cm,间距22cm,孔内灌注40#水泥浆后并及时插入32mm钢筋,外露1.5m与斜腿根部连接形成简单铰。待全桥施工完毕2月后再行立模,将腿趾处浇注混凝土转换为固结。378.3.1基本原则和假定

超静定体系桥梁的内力,应按结构为弹性的假定进行内力计算和用算得的内力进行截面强度验算。计算刚架桥内力时,还需遵循以下原则和假定:

①计算各式的轴线取支柱厚度的中分线和平分主梁跨中截面高度的水平线。对于截面高度或厚度变化较大的刚架桥,则以各截面高度中分点的连线作为计算各式的理论轴线。

8.3刚架桥的计算特点38 ②计算截面包括全部混凝土截面(包括全拉区),不考虑钢筋。对于T形和箱形截面,不论其顶板和底板厚度如何,均应全部计入计算截面。 ③计算变位时,可略去轴向力和剪力,仅计弯矩影响。