《桥梁工程(第3版)》课件 第7章 悬臂梁桥、连续梁桥和连续刚构桥

7.1.1悬臂梁桥的受力特点

将简支梁梁体向两端延伸,越过支点并与邻孔的梁段搭接或用铰轴衔接的桥跨结构便成为悬臂梁桥(Cantileverbeambridge)。仅梁一端悬出的称为单悬臂梁,两端均悬出的称为双悬臂梁。使用悬臂梁的桥跨至少有三孔,或为两单悬臂梁,中孔采用简支挂梁,或为一双悬臂梁桥结构,两边孔采用简支挂梁。在长大桥梁中,可由单悬臂梁、双悬臂梁与简支挂梁(或剪力铰)共同组合成多孔悬臂体系梁桥。

7.1悬臂梁桥第7章悬臂梁桥、连续梁桥和连续刚构桥1

悬臂梁桥利用悬出支点以外的伸臂,使支点产生负弯矩,从而对锚跨跨中正弯矩产生有利的卸载作用。图7.1所示为各种梁式体系在结构自重作用下的弯矩图。在跨径l和自重集度g相同的情况下,简支梁的跨中弯矩最大,悬臂梁桥(不论是单悬臂或是双悬臂)在锚跨跨中弯矩因支点负弯矩的卸载作用而显著减小,而悬臂跨中因简支挂梁的跨径缩短使跨中正弯矩也有显著减小。从表征材料用量的弯矩图面积大小(绝对值)而言,悬臂梁要比简支梁小。如以图7.1(c)的中跨弯矩图形为例,当lx=

l4时,正负弯矩图面积的总和仅为同跨径简支梁的1/3.2。从活载的作用来看,如果在图7.1(b)中孔布载,则其跨中最大正弯矩仍然与简支梁布满活载时的结果一样,并不因为有悬臂的存在而有所减小。但对于带有挂梁的多孔悬臂梁桥(图7.1(c)),活载引起的跨中最大正弯矩只按支承跨径较小的简支挂梁(通常只有桥孔跨径的0.4～0.6倍)产生的正弯矩计算,因此其设计弯矩要比简支梁小得多。2图7.1结构自重弯矩比较图3由此可见,与简支梁桥相比较,悬臂梁桥可以减小跨内主梁高度,降低材料用量,是一种比较经济合理的桥型。在多孔桥中,墩上只需设置一排(个)支座,相应减小桥墩尺寸,节省工程费用。

悬臂梁桥一般为静定结构,梁体内力不受基础不均匀沉降的影响,适合于地基较差的条件下使用,尤其在平原地区,多数为软土地基,河道通航跨径一般在40～50m,采用悬臂梁桥不失为一种较为经济合理的桥型。

悬臂梁桥将伸缩装置移到跨内,使变形挠曲线的转折角比简支梁桥变形挠曲线在支点的转折角小,梁体比较平顺,对行车有利。4又费时;其次,因支点存在负弯矩区段,梁顶面不可避免地产生裂缝,虽有防护措施,仍会因雨水侵蚀而降低其耐久性和使用年限。预应力混凝土悬臂梁桥,虽无此后患,并可采用悬臂法施工,但在施工时必须采取临时固结措施,以抵抗不平衡弯矩。更重要的是,悬臂梁桥还需在跨间增加悬臂和挂梁间的牛腿及伸缩装置,行车条件不及连续梁桥。

钢筋混凝土悬臂梁桥和预应力悬臂梁桥虽然在力学性能上优于简支梁桥,并可适用于更大跨径的桥型方案,但在施工方法和结构的使用性能上仍有较大缺陷。首先,对较大跨径的钢筋混凝土悬臂梁桥,梁体自重大,不易装配化施工,只能采用支架现浇,费工5图7.2日本港大桥(主跨510m)6目前,国内采用箱形截面的钢筋混凝土悬臂梁桥最大跨径为55m,常用跨径在30m以内,国外一般在70～80m。预应力混凝土悬臂梁桥国内常用跨径为30～50m,国外最大跨径为150m。三孔预应力混凝土悬臂梁桥,在采用平衡悬臂法装配施工时,中孔也可不用挂梁而仅在跨中用剪力铰相连,这种带剪力铰的悬臂体系为一次超静定结构。苏联曾建造过一座中跨跨径为128m的悬臂梁桥。

除钢筋混凝土和预应力混凝土悬臂梁桥外,还有钢悬臂梁桥,如重庆嘉陵江大桥,日本港大桥(图7.2),美国的康摩多巴雷桥(主跨501.22m),都是采用钢桁架的悬臂梁桥。7～

(1)钢筋混凝土悬臂梁桥 悬臂梁桥常用的立面布置如图7.3所示。

单孔双悬臂梁桥(图7.3(a))利用两侧悬臂端伸入路堤省去了两端庞大的桥台,但仍需在悬臂与路堤处设置钢筋混凝土搭板以利于行车。采用箱形截面的钢筋混凝土双悬臂梁桥,应尽量使跨中最大和最小弯矩的绝对值相等,以充分发挥跨中底板混凝土的受压作用,因此,悬臂长度可达中跨长度的0.4～0.6倍。但过长的悬臂会使活载挠度增大,过车时跳车严重,容易导致悬臂端与路堤连接处的结构破坏。单孔双悬臂梁跨中采用箱形截面时梁高h=

120

130l,根部梁高H=(2.0～2.5)h。7.1.2悬臂梁桥的构造8图7.3钢筋混凝土悬臂梁桥的立面布置及主要尺寸9～

多跨悬臂体系梁桥是跨越城市河道常用的一种桥型方案,主孔跨径l由通航净空确定,或与边孔一起由河床地形和地质等条件综合考虑来选定。当不受上述这些条件限制时,就按梁的弯矩包络图面积最小原则来确定边孔与中孔的跨径划分,以达到节省材料的目的。对三跨带挂梁的钢筋混凝土单悬臂梁桥,中孔是悬臂孔,可利用两侧悬臂加挂梁来加大跨径,边孔是锚固孔,跨径较小,可作为城市桥梁沿江道路立交孔,这样布置显得合理、匀称。箱型截面常用的跨径布置和梁高如下:lg=(0.4～0.6)l,l1=(0.6～0.8)l,跨中梁高h=

115

125l,支点处梁高H=(2.0～2.5)h。在特殊情况下,可以进一步减小边孔(锚固孔)跨径,但应考虑活载作用在中孔时锚固边支点可能出现负反力的情况,应采取措施加设平衡重或设计成能承受负反力的拉力支座等。

当桥梁长度较大,通航跨径要求在60m以下时,可以采用图7.310～)l;在支点处梁高(c)、7.3(d)两种钢筋混凝土悬臂体系的布置方案。此时,中跨按等跨布置,两边跨跨径稍短。当钢筋混凝土多孔双悬臂梁桥为箱形截面时,为使跨内最大和最小弯矩绝对值尽可能相等,宜将每侧悬臂长度设计得稍长一些,一般为中跨跨径的0.15～0.25倍,挂梁长度lg

=(0.75～0.80)l,中间各孔的跨中梁高h=(

120

130增大至(2.0～2.5)h。为便于预制,也可以将带双悬臂的锚跨设计成等高梁。11(2)预应力混凝土悬臂梁桥

预应力混凝土悬臂梁桥克服了负弯矩区段的受拉裂缝,因此悬臂长度可以比钢筋混凝土悬臂梁桥更长,可达(0.3～0.5)l,当悬臂长度达到0.5l时,跨中需用剪力铰连接。采用悬臂法施工时应对称布置,边跨与中跨之比在0.5～0.8。各种桥型的预应力混凝土悬臂梁桥跨径、梁高关系见表7.1。1213(3)截面形式及配筋特点

悬臂梁桥多采用箱形截面。箱形截面整体性好,顶、底板均有较大的面积,能够有效抵抗正、负弯矩,容易满足配筋要求,同时闭合薄壁截面抗扭刚度很大,适合于弯桥和悬臂施工的桥梁,是大跨径悬臂梁桥和连续梁桥体系常用的截面形式。悬臂梁桥的箱形截面形式主要与桥面宽度有关,常用单箱单室(图7.4(a))和单箱双室(图7.4(b))两种。14图7.4箱梁截面形式15单箱单室截面构造简单,受力明确,施工方便,材料用量省。对采用钢筋混凝土的单箱单室截面,桥面板的跨度和两侧悬臂长度受到一定限制,适用于桥面较窄的情况。

箱形截面的顶板厚度主要满足桥面板横向弯矩和布置纵向预应力筋的要求。钢筋混凝土桥面板应按行车道板要求设计,顶板、底板和腹板厚度可参见表7.2。1617

底板厚度应满足跨中配置预应力筋和普通钢筋,以及随负弯矩的增大而逐渐加厚至墩顶,以适应受压要求。底板除需满足运营阶段的受压要求外,在破坏阶段还宜使中和轴保持在底板内,并有适当的富余,一般为墩顶梁高的1/12～1/10。

箱梁腹板主要承受剪应力和主拉应力,应满足纵向预应力筋布置和方便混凝土浇筑。为适应应力变化,腹板一般也沿桥长变化,跨中截面腹板的总厚度不宜小于桥宽的1/20～1/12,支点处不宜小于桥宽的1/12～1/8。18

此外,在顶、底板与腹板接头处应设置梗腋,一方面可以提高箱梁截面的抗弯和抗扭刚度,减小扭转剪应力和畸变应力;另一方面可以使应力线过渡平缓,减小次应力。从构造上看,设置梗腋可以提供布置纵向预应力筋和横向预应力筋的空间,同时也为减薄底板和顶板厚度提供了构造上的保证。腹板与顶、底板连接处的梗腋常用布置形式参见本章第二节连续梁桥有关内容。

宽桥宜采用单箱双室截面,其顶板、底板、腹板厚度可参照单箱单室截面的规定取用,但中间腹板厚度可以比两侧腹板厚度小5cm。19肋(从b1

加厚到b2);③增设逐渐拓宽的下缘翼板(见图中B—B截面)。采用上述构造的哪一种,应视具体条件而定。此外图中还示出了悬臂端局部加强的构造方式。

图7.5为悬臂梁桥在支点附近加大梁肋厚度并增设梁肋下缘翼板的主梁构造。为适应向支点逐渐增大的负弯矩和剪力要求,可采取以下3种措施:①增大梁高(从h逐渐增大至H);②加厚梁2021悬臂梁桥受力主筋的布置应满足正、负弯矩的要求。在悬臂部分和支点附近是负弯矩区,主钢筋应布置在梁的顶部;跨中部分承受正弯矩,主钢筋应布置在梁的底部;在正、负弯矩过渡区段,两个方向的弯矩都可能发生,因此其顶部和底部均要布置适量的钢筋。梁内抵抗主拉应力的斜钢筋,可以根据受力需要,由上、下部主钢筋弯折而成。对跨中正弯矩区主钢筋密集的部位,往往敷设加强钢筋网来改善混凝土的裂缝分布。在支点负弯矩区,也可在桥面铺装层内敷设钢筋网并采取有效的防水措施,以免雨水渗入梁体。227.1.3牛腿构造

牛腿是多跨悬臂体系梁桥和带挂梁的T形刚构桥上部构造的一个重要部分,是挂梁与悬臂梁的衔接部,承受来自挂梁和活载传递下来的全部荷载。

为保证挂梁与悬臂梁的传力效果,尽量使悬臂梁和挂梁的腹板一一对应,以缩短传力路径,确保受力明确。对于梁数少、荷载大的桥梁更应注意。接近牛腿部位的腹板应予以加厚,加厚部分的长度不应小于梁的高度。端横梁的长度最好比主梁横向总宽度(如箱梁底宽)大一些,横向挑出的牛腿横梁为架梁及设置挡块提供了方便,同时,还可以避免横梁横向钢束的锚头对边梁支座下受压部位混凝土截面的削弱。

23

牛腿处梁高骤然减小,截面凹折角处存在很大的应力集中。图7.6(a)、(b)所示为两种不同形状的牛腿在荷载作用下的主应力迹线,可以看出,图7.6(a)的牛腿在凹角处主拉应力迹线密集,有严重的应力集中现象;图7.6(b)是改进凹角后的牛腿,应力集中得到了缓解,显然,改变凹角的形状可以有效地改善牛腿处的应力状况。此外,为改善牛腿受力,还应尽可能减小支座高度,如采用橡胶支座等。24图7.6(c)所示为常用牛腿的配筋构造形式。图中N1～N3是牛腿中的主要钢筋,它们基本上沿着主拉应力方向进行布置并尽可能靠近凹角转折处。水平钢筋N4起着牛腿竖截面承受负弯矩及支座水平力的作用。沿牛腿端部下弯的竖向钢筋N5相当于加粗的箍筋。此外,为了承受主拉应力和减小裂缝,在牛腿处的纵向水平附加钢筋和箍筋也应适当加密。257.1.4牛腿计算

理论计算和模型试验证明,凹角形的牛腿在荷载作用下会出现很大的局部应力。对于钢筋混凝土结构,由于混凝土的抗拉能力很低,因此必须特别仔细地设计悬臂梁的牛腿构造,并进行强度验算。

对于挂梁的肋数与悬臂梁梁肋(或腹板)片数相同且互相对齐设置时,各根挂梁的反力能直接传给悬臂梁承受,此时悬臂端部设置的端横隔板只起横向分布荷载的作用,本身不承受引起弯曲的局部荷载。但当挂梁的肋数多于悬臂梁梁肋的片数或相互未对齐设置时,就需要在悬臂端将牛腿做成端横梁的形式来传递挂梁的支点反力,如图7.7所示。在此情况下,端横梁与端横隔板一起作为一根L形截面的横向连续梁进行设计。

126

当要验算横梁处牛腿竖直截面a-b的强度时,牛腿的截面宽度可取b1=b+2e,此处b为支座垫块宽度,e为支座中心至梁端面1的距离(图7.7)

。显然,对于两侧的牛腿部分,计算取用的截面宽度b′一般要小些。27图7.7悬臂端横梁的受力图式28(1)牛腿的截面内力 图7.8所示为挂梁牛腿的受力图式(悬臂梁牛腿的受力情况也一样)。由于梁高在牛腿根部处突然缩小,必然在内角点a附近引起应力集中,因此牛腿就可能从a点开始沿某一截面开始开裂。从图7.8可见,虽然竖直截面a-b高度最小,必须予以验算,但仅这样还不能保证其他截面的强度安全,因为对于任意斜截面a-c而言,虽然截面增大了,但作用于其上的内力也随之增大,为此在计算中还应寻找其最弱斜截面进行验算。

如图7.8中,在竖向反力R和水平力H作用下,在任意斜截面a-c上的内力可按静力平衡方程求得

29式中:R——结构自重和活载支点反力(对于汽车荷载应计入冲击力);H——汽车制动力或温度变化引起的支座摩阻力;当不计其他可变荷载时,H=0;θ——斜截面对竖直面的倾斜角,对于竖直面a-b,则θ=0;e——支座垫板高出牛腿底面的高度。已知截面内力后,就可对各种危险截面进行强度验算。30图7.8牛腿受力图式31(2)竖直面a-b

的验算 作用于竖直面a-b上的内力为:

据此可按钢筋混凝土偏心受拉构件验算抗弯和抗剪强度。当不计汽车制动力或温度变化引起的支座摩阻力时,Nθ=0=0,按受弯构件验算强度。对于布置预应力筋的牛腿,则应按预应力混凝土构件验算其强度。32(3)最弱斜截面验算 最弱斜截面是指荷载作用下近似按纯混凝土截面计算时,其边缘拉应力最大的一个截面。为了确定该斜截面的倾斜角θ,先写出任意斜截面边缘拉应力的表达式:式中:Mθ、Nθ

见式(7.1);

Aθ、Wθ——斜截面纯混凝土面积和截面模量。

若牛腿截面的计算宽度为b1,则不难看出,式(7.2)中各项都是与倾斜角θ相关的函数。根据33求极值的原理,只要将式(7.1)和式(7.3)中各项代入式(7.2),求dσθ

dθ=0,就可求得最大σθ

时的斜截面倾斜角θ,其正切表达导并使式为:

如不计汽车制动力或温度变化引起的支座摩阻力时,牛腿上只有R作用,此时最弱斜截面倾斜角θ可简化为:

对于牛腿部位配置有预应力筋的情况(图7.9(a)),在确定任意斜截面a-c上的内力时,还应计入预应力筋N2,N3和N4的预压合力Ny

的作用。例如图7.9(b)中,已知Ny

的大小(在使用阶段应考虑有效预应力)和方向(N2,N3和N4的重心线方向)后,就可计算Ny

所引起的内力。由图7.9(c)即可求得预应力内力为:34图7.9预应力混凝土牛腿的计算图式35

依照上述求最大应力的方法,将式(7.6)、(7.7)与式(7.1)合dσθ

dθ=0,得到预应并,并与式(7.3)一起代入式(7.2),经求导并使力混凝土牛腿最弱斜截面的倾斜角θ为:式中:Ny

——牛腿部位预压力的合力;

α——牛腿部位预压力合力Ny

对水平线的倾角;36m——牛腿部位预应力合力Ny

与内角竖直线a-b(图7.9(b)、(c))的交点至内角点a的距离;其余符号含义同前。求得最弱斜截面位置后,按偏心受拉构件验算此斜截面的强度。

根据国内外一些牛腿计算和试验资料表明,预应力梁牛腿裂缝的方向几乎接近水平。在此情况下,设置竖向预应力筋或接近竖向的预应力斜筋更为有效。因此,当斜截面内切到这类预应力筋时,式(7.8)中还应进一步计入它们的影响。37(4)45°斜截面的抗拉验算在牛腿钢筋设计中,为了确保钢筋具有足够的抗拉强度,尚需补充验算假设混凝土沿45°斜截面开裂后的受力状态,图7.1045°斜截面抗拉验算图式38此时全部斜拉力由钢筋承受(对于预应力混凝土牛腿包括预应力筋)。从图7.10所示受力图式的分析,可得外力R作用下斜截面总斜拉力为39N5)的有效截面积。

对于同时配置有预应力筋的牛腿,在强度验算中尚应根据预应力筋的实际倾角计入它们的有效截面面积所发挥的抗拉作用。

此外还应注意锚固长度不够的竖向钢筋和离裂缝起点(牛腿内角点)较远的斜钢筋,这些钢筋均受力不大,故在计算时可偏安全的不计它们的抗拉作用。

牛腿是整根梁的薄弱环节,受力情况复杂,各种验算也带有相当的近似性,因此对于斜筋和水平钢筋的设计应适当富余一些,而且在牛腿部分还应布置较密的箍筋和纵向水平钢筋。随着有限元程序的发展,还可采用有限元方法来求得较为精确的内力分布情况,以保证这一薄弱部位具有足够的安全度。407.2钢筋混凝土及预应力混凝土连续梁桥

当上部承重结构连续跨过两个或两个以上桥孔,且沿桥跨方向无断开的桥梁便成为连续梁桥(Continuousbeambridge)。连续梁桥受力后,梁体内的弯矩和剪力将沿桥跨产生连续不断的效应,一孔受载,该联其余各跨均有影响。在结构自重作用下,由于支点负弯矩的卸载作用,跨中正弯矩显著减小,因此可以减小截面尺寸,节省材料,适用于大、中跨度桥梁。连续梁桥在每个墩台上只需布置一排(或个)支座,相应可减小桥墩的尺寸,同时梁连续通过支座,具有变形缓和,接缝少,行车平稳,有利于高速行驶等优点。但连续梁桥为超静定结构,支座变位将引起结构内力变化,故适用于地质良好的桥址处。

41连续梁桥可以做成两跨或三跨一联,也可以做成多跨一联。每联跨数越多,梁连续长度也越长,受温度变化和混凝土收缩等影响产生的纵向位移也就越大,相应伸缩装置及活动支座的构造越复杂;反之,每联跨数越少,受温度变化和混凝土收缩等影响也越小,但伸缩装置的数目就增多,不利于高速行驶。为充分发挥连续梁对高速行车平顺的优点,现代伸缩装置和支座构造不断改进,目前最大伸缩装置伸缩长度已达1500mm,梁体的连续长度已超过1000m。42

连续梁桥不论用于公路桥、城市桥、铁路桥,都是中等跨径以上桥梁适宜的桥梁形式。钢筋混凝土连续梁桥因在施工上和使用上的诸多缺点而应用较少,主要用于中、小跨径的城市高架桥、跨线立交桥或异形桥梁中。预应力混凝土连续梁桥能充分发挥高强度材料的特性,在使用阶段不出现裂缝,能全截面参与工作,梁体刚度大,尤其在采用悬臂施工、顶推施工时,能充分发挥预应力技术的优点,便于用机械化设备施工和工厂化生产,提高施工质量,降低施工费用,因而得到广泛应用。钢连续梁桥承载能力大,但维护费用高,多用于铁路桥梁中。近年来,连续梁桥在城市和公路跨线桥以及高架桥中的应用也日趋广泛。437.2.1结构类型

不论是钢筋混凝土连续梁桥还是预应力混凝土连续梁桥,在立面上都可以做成等跨的和不等跨的,等高的和不等高的结构形式,如图7.11所示。由于预应力筋在结构内能起到调整内力的作用,因此,预应力混凝土连续梁桥在孔径布置和截面形式等方面可供选择的范围比钢筋混凝土连续梁桥要大得多。此外,预应力混凝土连续梁桥的结构形式与施工工艺有密切联系。44图7.11预应力混凝土连续梁桥45对中、小跨径的钢筋混凝土连续梁桥,常采用等截面形式和支架现浇方法施工;而对中、小跨径的预应力混凝土连续梁桥,当采用顶推法施工时,需设计成等跨、等高的连续梁桥(图7.11(a));或采用先简支后连续的施工方法,同样可做成等跨、等高的连续梁桥。鉴于施工工艺的独特优点,可以从施工经济效益来补偿结构本身作为等跨、等高连续梁所具有的欠缺,所以跨越海湾的大桥大多采用中、小跨径的等跨等高连续梁桥,近几年来高速公路上也广泛采用这种技术。

不等跨变高度混凝土连续梁桥,是大跨度桥梁最常用的结构形式,如图7.11(b)所示。由于体系的弹性特征,当加大靠近支点附近的梁高做成变截面时,可以有效减小跨中弯矩,同时又能适应抵抗支点处很大剪力的要求(图7.12),而且对结构自重引起的截面内力和桥下通航净空要求影响不大,这就是为什么连续梁桥比简支梁桥或悬臂梁桥能跨越更大跨度的原因。46图7.12三跨连续梁惯形矩变化对内力的影响47通常,三跨连续梁桥边跨长度取中跨长度的0.65～0.8倍,减小这一比值,能使中跨中间梁段上只有正弯矩值,力筋布置能够成单筋形式,既简化构造又比较经济。对五跨连续梁桥,边跨、次边跨、中跨长度之比常取0.65∶0.9∶1。

对城市桥梁或跨线桥,有时为增大中跨跨径,可设计成边跨与中跨之比小于0.3的连续梁桥,如图7.11(c)所示。此时,端支点上将出现较大的负反力(拉力),为此必须设计专门能抵抗拉力的支座,或者在跨端部分设置巨大的平衡重来消除负反力。

边跨与中跨的比值与施工方法有关,当采用悬臂对称施工时,除边跨一部分悬臂施工外,剩余部分需另搭设支架施工。为缩短支架长度,边跨长度应取中跨长度的0.55～0.65倍为宜。对适合于采用现场搭设支架现浇的桥梁,边跨长度取中跨长度的0.8倍是经济合理的。48换问题,而悬臂法施工造成的施工阶段内力与使用阶段内力的不一致还会导致多费钢材。对此,可采用将连续梁与桥墩固结在一起的连续刚构桥结构型式(图7.11(d)),这种结构型式不仅省去了连续梁桥悬臂施工所需的临时锚固措施,而且桥墩的刚性可调整梁体的内力,从而减小了施工阶段和使用阶段的内力差异,此外还可省去价格昂贵的支座。如果岸孔能适合于支架法施工,而其他孔均借助悬臂施工的话,此种结构型式是非常合理的,这也是为什么连续刚构桥得到广泛应用的重要原因。

预应力混凝土连续梁桥在支点处主梁的负弯矩往往很大,因此采用较大的支点梁高。V形墩连续梁桥与相同跨径的连续梁桥相比,能缩短计算跨径,减小支点弯矩,降低梁高。这种在一个墩位上设置两个薄壁墩柱与主梁铰接或刚接的形式,在外观上显得轻型美观。当连续梁桥采用悬臂法施工时,必须计及较为复杂的体系转49土连续梁桥则根据所采用的施工方法不同,有不同的合理跨径范围,对采用顶推法、移动模架法、整孔架设法施工的桥梁,合理跨径为40～60m,且一般都做成等截面。对采用悬臂法施工的桥梁,一般做成不等跨变高度连续梁桥,常用跨径为60～160m。钢筋混凝土连续梁桥的合理跨径在30m以内。预应力混凝50(1)钢筋混凝土连续梁桥

钢筋混凝土连续梁桥横截面主要有板式截面和箱形截面(图7.13)。采用板式(或空心板)结构的连续梁,跨径不会很大,因此,梁的根部高度可小于50cm。箱形截面用于跨径较大的连续梁桥,但受到箱形截面桥面板宽度和两侧悬臂长度限制,一般采用低矮的多室箱,很少采用宽大的单室箱。钢筋混凝土箱形梁在正常使用状态下不能全截面受力,因此箱梁高度较大,常超过100cm。7.2.2横截面形式及主要尺寸51图7.13典型的钢筋混凝土连续梁桥截面形式(尺寸单位:cm)52(2)预应力混凝土连续梁桥

预应力混凝土连续梁桥的截面形式,除中等跨度的桥梁采用板式(包括空心板)、T形(包括宽肋梁)截面外,大跨度连续梁桥和采用顶推法施工的连续梁桥都采用箱形截面,这样既便于顶、底板布置预应力筋,又有利于悬臂法和顶推法施工。

板式桥构造简单,施工方便,建筑高度小,主要用在高架桥上。有时为简化多肋T梁施工,也有采用宽矮肋的单T断面,肋宽可达3～4m,外悬长翼板,称之为翼型结构或脊形梁,如图7.14所示。53图7.14南京大桥南路高架匝道桥横断面(尺寸单位:cm)54连续梁桥箱形截面形式与桥面宽度有着较为紧密的关系,此外,也与墩台构造形式和施工要求等有关。常见的箱形截面形式有:单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室和双箱多室等,如图7.15所示。55图7.15箱形截面形式56单箱单室截面构造简单,受力明确,施工方便,节省材料用量,用于桥宽在14m左右的桥梁。对采用单箱单室截面的预应力混凝土连续梁桥,为加大桥面宽度,可以在悬臂上设置加劲横梁,并在每根横梁上施加横向预应力,或直接在桥面板内设置横向预应力筋,此时桥面宽度可以达到25m以上。

桥面宽度对单箱单室和单箱双室的顶板厚度有显著影响,而对底板、腹板厚度影响甚小。分析比较发现,单箱双室截面顶板的正(负)弯矩一般比单箱单室截面减小70%(50%),有利于顶、底板钢束布置,也容易平弯到肋的两侧锚固。但单箱双室截面增加了一道腹板,使自重增加,施工困难,抵消了它的优点,影响了在工程中的应用。57用分离式的双箱单室桥面可以达到50m,足以满足桥宽要求。

采用大悬臂斜腹板的箱形截面,可以减小箱梁底部宽度,进而减少下部工程量,一侧翼板悬出长度可达到4m甚至更大(国内最大5.5m),这在采用高桥墩时具有显著的经济效益,但箱形截面形心偏上,力臂减小,对承受负弯矩不利,过窄的底板,还可能因受压面积的需要而加厚底板。此外,斜腹板的施工模板定位和腹板中钢筋束放样布置均较复杂。

大跨度预应力混凝土箱形梁的顶、底板受力复杂,除需要按板的构造要求决定厚度外,还应按桥跨方向上总弯矩值来决定厚度。

宽桥可以采用多室箱梁截面。但多室箱构造复杂,施工不便,宜采用分离的两个单室箱梁。对不作特殊加劲的单室箱梁宽度,每个箱宽可做到25m左右,两个箱梁分别支承在一排独立的桥墩上。这种分离的箱室截面,荷载分布系数较小,因此比较经济。采58适当的富余。②顶板

箱形截面的顶板厚度主要满足桥面板横向弯矩和布置纵向预应力筋的要求。当顶板不设横向预应力筋时,顶板厚度与腹板间距可参见表7.3。①底板

在连续箱梁桥和T形刚构桥中,底板厚度一般为墩顶梁高的1/12～1/10;箱梁跨中底板厚度,预应力混凝土T形刚构桥一般为15～18cm;预应力混凝土连续梁桥,因跨中需布置一定数量的预应力筋和普通钢筋,底板厚度一般为20～25cm。底板除须满足运营阶段的受压要求外,在破坏阶段还宜使中和轴保持在底板内,并有59

当设有横向预应力筋时,顶板厚度应满足布置预应力筋套管的需要并留有混凝土注入的间隙。在结构设计时,尽可能采用长悬臂或利用横向坡度和弯折预应力筋以调整板中横向弯矩。 ③腹板 腹板厚度取决于布置预应力筋和浇筑混凝土必要的间隙等构造要求,一般可按下列原则确定:

腹板内无预应力筋时,可用20cm;

腹板内有预应力筋时可用25～30cm;

腹板内有预应力筋锚固时,可用35cm;

墩上或靠近桥墩的箱梁根部腹板需加厚到30～60cm,甚至100cm。60此外,腹板厚度也可以按经验公式选定。④梗腋

预应力混凝土箱梁中,为了提高箱梁截面的抗弯和抗扭刚度,减小应力集中与箱梁的畸变,增大桥面板抵抗负弯矩的能力,为布置预应力筋和设置锚头留有足够的空间,常需在顶板、底板和腹板相交处设置梗腋。梗腋常用布置形式见图7.16。图中(a)、(b)、(c)用于顶板梗腋,图(d)、(e)用于斜腹板箱形梁,图(f)、(g)、(h)用于底板梗腋。61图7.16箱形截面梗腋形式62⑤横隔板

横隔板的主要作用是增加箱梁横向刚度,限制箱梁的畸变。箱梁中设置过多的横隔板会增加施工难度,主要设置在支承处,以承受和分布强大的支承反力。此外,有些大跨度连续刚构桥的L/4截面和跨中也设置横隔板。横隔板厚度在支点处可取40～60cm,其余可取15～20cm。63(1)钢筋混凝土连续梁桥

对跨径在20m以内的连续梁桥可采用等截面形式,30m以上的连续梁桥宜采用变截面形式。梁的根部高度约为最大跨径的1/15,梁的跨中高度可按构造选用,一般为最大跨径的1/25～1/15。7.2.3纵向断面布置64(2)预应力混凝土连续梁桥

预应力混凝土等高度连续梁桥的梁高约取跨径的1/26～1/16(顶推法施工时为1/16～1/12),支点腹板总厚度与行车道板宽度之比为1/25～1/16,支点处腹板厚度与梁高之比为1/16～1/12。变高度连续梁的跨中梁高与跨度之比为1/35～1/25。

变高度的截面变化规律可以采用1.5～2次抛物线或折线,由于抛物线的截面变化规律与连续梁的弯矩变化规律基本接近,故应用广泛。但二次抛物线在1/4跨到根部截面高度变化过大,往往出现应力过大和截面积偏小的问题,

以1.5～1.8次方抛物线应用居多。采用折线形截面变化布置可使桥梁的构造简单,施工方便,但仅适用于小跨径桥梁中。657.2.4预应力筋布置

预应力混凝土连续梁桥中预应力筋大多采用纵向、横向和竖向的三向预应力布置方式。横向预应力筋为高强预应力钢绞线,水平布置在桥面板内,纵向间距50～100cm。竖向预应力筋可采用预应力钢绞线或高强精轧螺纹粗钢筋,竖向布置在腹板内,纵向间距为40～60cm。纵向预应力筋的布置方式与所采用的施工方法以及预应力筋的种类等有密切关系。66图7.17预应力混凝土连续梁配筋方式67图7.17(a)表示采用顶推法施工的直线型预应力筋布置。上、下通束筋布置使截面接近轴心受压,以抵抗顶推过程中各截面交替变化的正负弯矩。顶推完成后,再在跨中底部和支点顶部增加局部预应力筋,用来满足运营荷载下的内力要求。有时,按设计还要在跨中的顶部和支点附近的底部设置局部的施工临时束,顶推完成后卸除。

图7.17(b)为先简支后连续施工方法的预应力筋布置。梁端接缝混凝土达到设计强度后,用设置在接缝顶部的局部预应力筋来建立结构的连续性。

图7.17(c)和(d)所示为曲线形的预应力筋布置。梁中除了正弯矩区和负弯矩区各需布置底部和顶部预应力筋外,在有正、负弯矩的区段内,顶、底板中均需设置预应力筋。预应力筋可以根据受力需要在跨径内截断而锚固在梁体高度内(图7.17(c)),也可以弯出梁体而锚固在梁顶和梁底(图7.17(d))。68情况下,由于预应力筋既长且弯曲次数又多,显著加大预应力筋的摩阻损失。

随着大吨位预应力钢绞线和群锚的使用,纵向预应力(束)筋只需布置在顶板和底板上,无需再设弯起束和下弯束,仅对受力有特殊要求的部位,如边跨端部设置部分弯起束。将纵向束平弯锚固在肋腋部位,使顶底板厚度仅需满足受力要求,不再受预应力束筋布置控制,从而大大减少腹板内的纵向预应力管道,方便混凝土浇筑。

预应力筋的布置要考虑到腹板处张拉操作。当需要在梁内、梁顶或梁底锚固预应力筋时,应根据预应力锚固区的受力特点给予局部加强,以防开裂损坏。图7.17(e)表示整根曲线形通束锚固于梁端的布置方式,在此69结构次内力在这些部位产生的正弯矩。

采用悬臂施工的连续梁桥在施工过程中存在所谓的体系转换问题。受到悬臂梁段自重差异、不对称的临时施工荷载以及风荷载等因素的影响,会在桥墩墩顶处产生不平衡的力矩。为克服不平衡力矩可能造成的倾覆,必须在墩顶与0#块梁段间作临时固结处理,直到悬臂端与边跨现浇段合龙形成单悬臂梁或中跨跨中合龙形成双悬臂梁后方可拆除临时固结措施。由于支承条件的改变会在梁体内产生内力,因此在设计中必须考虑结构体系的转换问题。

采用悬臂浇筑法施工的连续梁桥,在整个悬臂施工阶段梁段混凝土均承受负弯矩,因此须将纵向预应力筋布置在梁体顶部以承受结构自重和施工荷载(图7.18);底板预应力筋仅布置在中跨合龙段和边跨端部的部分梁段内,用以承受汽车、人群等活载及由70图7.18悬臂施工的预应力筋布束形式717.2.5构造示例

云南六库怒江大桥为(85+154+85)m的三跨预应力混凝土连续梁桥(图7.19(a)),箱梁根部和跨中截面尺寸如图7.19(b)所示。采用悬臂浇筑法施工。72图7.19云南六库怒江大桥(尺寸单位:cm)73(1)箱梁构造

采用单箱单室截面,顶板、腹板厚度沿桥跨不变,梁底按三心圆弧线变化,以保证1/4跨处在施工阶段不出现拉应力。梁底厚度按二次抛物线变化,仅在墩顶设置横隔板。74

(2)预应力体系与布置

1)预应力体系 怒江大桥箱梁采用了纵、横、竖三向预应力筋体系。其中,纵、横向采用S15.24预应力钢绞线,XM15型后张预应力体系,竖向采用Φ32mm高强精轧螺纹钢筋。

2)预应力筋布置

①纵向 纵向预应力筋仅布置在顶、底板,为XM15２12大吨位预应力体系。中跨顶板束即为悬臂施工时锚固的静定束(JD),边跨顶板束除了静定束外,还配置了6束边跨合龙后张拉的顶板束(DB)。静定束集中锚固在顶板与腹板连接的承托区域内。采用了大吨位集中锚,避免因布束困难而增加顶板面积与锚固齿板,纵向未设下弯连续束和弯起束。顶板束在墩顶0#块布置了96束(JD),每一梁段锚固4束(按受力要求在其中的两个梁段各增锚两束)。由于每一梁段锚固索少,锚固位置统一,方便施工(图7.19(c))。75底板束在跨中布置了44束(ZDB),两边跨各布置了14束(BDB)。

怒江大桥在中跨合龙段跨中区域设置了体外索,改变以往为合龙而在顶板设置临时束的工艺。该临时束在中跨合龙后拆除,避免了在顶板上设临时束锚固齿板,大大简化了模板制作。②横向横向预应力筋采用XM15２7预应力体系,钢束横向中心间距为50cm。③竖向

竖向预应力筋以单根形式布置在腹板轴线上,下端为固定锚,上端用YCL120型千斤顶在梁顶张拉,既作为承受主拉应力的受力筋,同时也是施工挂篮的后锚点,竖向筋间距为60cm。767.3.1预应力混凝土T形刚构桥

T形刚构桥是一种具有悬臂受力特点的梁式桥,最早采用钢筋混凝土结构,因在墩上两侧伸出悬臂,形同“T”字而得名。钢筋混凝土T形刚构桥受到结构性能(承受负弯矩,不可避免地在梁顶面出现裂缝)、施工工艺和跨度的限制,在建桥实践中已很少采用。

20世纪50年代初,预应力技术与悬臂施工工艺的运用,使预应力混凝土T形刚构桥的结构性能和施工特点达到高度的协调和统一,从而获得满意的经济指标,特别适合于跨越深水、峡谷、大河、急流的桥址处。

预应力混凝土T形刚构桥,分跨中带剪力铰和跨内设挂梁两种基本类型。

7.3预应力混凝土刚构桥77

带铰的T形刚构桥(图7.20(a)、(b)、(c))是国外在20世纪50年代开始采用的一种桥型,它的上部全部是悬臂部分,相邻两悬臂间通过剪力铰连接。所谓剪力铰是一种只能传递竖向剪力,但不能传递水平推力和弯矩的联结构造。当在一个T形结构单元上作用有竖向荷载时,相邻的T形结构单元通过剪力铰而共同参与受力,因而,从结构受力和牵制悬臂端变形来看,剪力铰起到减轻直接受荷T形单元结构内力的作用。带铰的、对称的T形刚构桥在自重作用下是静定结构,在活载作用下是超静定结构。带铰的T形刚构桥受到日照、混凝土收缩徐变和基础不均匀沉降等因素的影响,剪力铰两侧悬臂的挠度不会相同,必然产生附加内力,这些挠度和附加内力,事先难以估计,又不易采用适当措施加以清除或调整。其次,剪力铰构造复杂,用钢量大。78图7.20预应力混凝土T形刚构桥79带挂梁的T形刚构桥是静定结构(图7.20(d)),与带铰的T形刚构桥相比,虽各个T构单元单独受力,受力与变形不如带铰刚构桥,但它受力明确,不受各种内外因素的影响,特别是当挂梁与多孔引桥的简支跨尺寸和构造相同时,更能加快全桥施工进度获得经济效益。带挂梁的T形刚构桥,除了要有悬臂法施工用的机具设备外,还需要预制和安装挂梁设备。

T形刚构桥在桥型分孔和布置时,除了遵循桥梁设计的一般原则外,还需注意全桥的T形单元类型应尽可能一致,以简化设计和施工;同时T形刚构单元尽可能对称布置,使其在结构自重作用下桥墩不产生自重弯矩。

图7.20(a)所示为常用的多跨布置图式,当靠岸跨搭设支架容易时,往往将岸边T构的一侧悬臂先在支架上现浇,然后向河中采用悬臂法施工。在此情况下靠岸的悬臂端用活动支座支承在墩台上,以减小活载挠度,但当活载通过时支座将产生拍击作用,设计80时应予注意。图7.20(b)所示为全桥由对称T构组成,为了改善悬臂端与路堤的衔接,可采用轻型搭板使荷载逐渐过渡。图7.20(c)所示是为了增大中跨跨度而在边跨端部设置专门平衡重的构造形式。目前世界上已建成的这种桥型,中跨达240.8m,边跨与中跨之比约为0.22。

对带挂梁的T形刚构桥,以偶数的T构单元与奇数的挂梁配合布置最为简单合理(图7.20(d))。在此情况下T构的两侧自重是对称的,墩柱中无不平衡的自重弯矩。一般地,多跨桥梁都应采用相同的挂梁相配合,以简化设计和施工。但也可以采用不同的T形悬臂长度和相同的挂梁相配合,以构成中孔跨径最大并向两侧逐渐减小的桥型布置,如重庆石板坡长江大桥,采用了139m和113m两种T构,挂梁全部采用35m,如图7.21所示。在此情况下,T构两侧的恒载仍然是对称的,墩柱中也无不平衡的恒载弯矩。81图7.21重庆石板坡长江大桥总体布置(尺寸单位:m)82预应力混凝土T形刚构桥中挂梁的经济长度,一般为主孔跨径的0.22～0.50。主孔跨径大时,取较小比值,并应使挂梁跨径不致超过35～40m,

以利安装。

需要说明的是,T形刚构桥由于在受力性能和使用方面的缺陷(如伸缩装置多),行车舒适性差,目前已很少采用,一般采用连续刚构桥。837.3.2预应力混凝土连续刚构桥

连续刚构桥是在T形刚构桥的基础上,将主梁做成连续体并与薄壁桥墩固结而成。与T形刚构桥相比,梁体连续使跨中产生弯矩,削弱了悬臂根部的负弯矩,梁中内力分布更趋合理,在荷载作用下,结构竖向变形(挠度、转角)是连续的,总体刚度也比T形刚构桥大,因此具有跨越能力大、平顺度好的特点,是大跨径桥梁常用的形式之一。84(1)连续刚构桥的受力特点

大量计算表明,连续刚构桥的受力特征与连续梁桥基本接近,由于薄壁桥墩参与受力,墩的高度对结构的受力有很大影响。通过对三跨连续刚构桥不同墩高情况下与对应跨径连续梁桥内力的比较发现:①当薄壁墩达到一定高度时,两者梁根部的自重、活载弯矩值基本一致。如中跨跨中截面的自重弯矩、中跨根部截面的自重弯矩和活载弯矩与相应连续梁内力的比值随着墩高的增大而趋近于1;②两者中跨跨中截面的活载弯矩比值变化较大,但在墩高大于40m时,很快趋近于1;③薄壁墩根部弯矩随墩高的增加,其弯矩值骤然减小;④梁体内的轴向拉力值随桥墩高的增大而骤然减小。由此可见,连续刚构桥属于连续梁体系范畴,而T形刚构桥属于刚构范畴,两者在受力状态上存在较大差异。85(2)构造特点连续刚构桥在构造上可分为主跨跨中连续、主跨跨中铰接以及刚构２连续组合梁桥3种类型,如图7.22所示。86图7.22连续刚构桥87主跨跨中连续的连续刚构桥,又称连续刚构连续体系梁桥(图7.22(a)),是目前连续刚构桥中应用最广泛的结构形式。通过把墩梁固结布置在大跨、高墩上,以利用高墩的柔性来适应结构由预应力、混凝土收缩徐变和温度变化所引起的位移,即把高墩视为一种摆动的支承体系。边跨较矮的桥墩,相对刚度较大,不能起摆动作用,需在桥墩的顶部或底部设铰,以适应纵向位移。在两桥端的伸缩装置应满足纵向位移的要求,并要求两端的位移量不应相差太大,位移运动的中心应设计在桥梁的中部附近。为保证结构的水平稳定性,桥台处需设置控制水平位移的挡块。

连续刚构连续体系梁桥的主要优点在于可以减小大型桥梁支座的数量和养护上的麻烦,减小下部构造的工程数量,同时,墩梁固结有利于悬臂施工,省去了复杂的体系转换。连续刚构连续体系梁桥国内最大跨径为虎门大桥辅航道270m的连续刚构桥,国外最大跨径为296m。88

主跨跨中铰接的连续刚构桥,又称连续刚构铰接体系梁桥(图7.22(b)),它在主跨跨中设剪力铰,边跨采用连续梁,因此具有连续梁和铰接T形刚构桥的受力特点,同时,利用边跨连续梁的结构自重使T构做成不等长悬臂,从而加大主跨的跨径。如德国的本道夫(Bendorf)桥,主跨分孔为(43+44.35+71+208+71+44.35 +43)m,采用变截面分离式单箱单室,主墩处梁高10.45m,主跨跨中梁高4.4m,连续梁部分的梁高3.3m,横截面桥总宽30.86m,如图7.23所示。该桥箱梁的顶底板和腹板均采用变厚度,主梁采用变截面,主墩宽2.8m,采用整体式墩身基础,箱梁底面到基础底面高为32m,由此可以看出,铰接体系的桥墩与连续体系相比要有一定的刚度,结构的水平位移需要借助在跨中设置剪力铰来满足。89图7.23德国的本道夫(Bendorf)桥(尺寸单位:cm)90此外,日本在1972

年和1976年建造的浦户桥和滨名桥,也采用连续刚构铰接体系梁桥。浦户桥主桥全长601.3m,分孔为(55+130 +230+130+55)m,桥宽8.5m,采用单箱单室截面。该桥两个主墩与梁刚接形成T构,跨中设剪力铰,边跨连续,主梁为变截面。主墩顶梁高12.45m,次墩顶梁高3.642m,主墩高60m和41m。滨名桥全长1436.8m,为5跨连续刚构铰接体系梁桥,主跨240m,墩顶梁高13.7m,跨中梁高4.1m,横向采用分离式单箱单室,桥宽2×10.65m,主墩从桥面到基础底面高60.9m。

可以看出,连续刚构铰接体系用一对带铰T形刚构作主跨,尾跨做成连续梁,与T形刚构构成混合体系,以增大主跨跨径,同时,结构沿桥轴方向的温度和制动伸缩装置位移仍然同T形刚构,不会产生轴力,也不会传递到相邻T构单元上,而由主跨跨中设置的剪力铰来满足结构的水平位移。主跨桥墩与梁刚接,桥墩具有一定的刚度,因此对桥梁基础要求较高。91

刚构—连续组合梁桥是连续梁桥与连续刚构桥的组合,通常在一联连续梁的中部数孔采用墩梁固结的刚构,两边孔数孔则为设置支座的连续梁结构。它从结构上又可分为主跨跨中设铰和不设铰两种形式,前者即为连续刚构铰接体系梁桥,而后者常称为刚构—连续组合梁桥(图7.22(c))。

刚构—连续组合梁桥中把高墩跨做成墩梁固结,其余各孔因墩较矮,相对刚度大,需设置一排或双排滑动支座。如瑞士的比艾施纳(Biachina)桥,为六跨一联变截面刚构—连续组合梁桥,跨径为(58+85+140+160+140+62)m,由于该桥需跨越深河谷,桥墩高差大,中间两个高墩约100m,故采用墩梁固结,其余各墩较矮,相对主墩刚度大,在墩顶设置滑动支座。1993年建成的山东东明黄河公路大桥,是在浅滩上修建的国内首座预应力混凝土刚构——

连续组合梁桥,主桥为九孔一联,中部四个墩采用墩梁固结,两侧其余各墩在墩顶上设置双排支座,如图7.24所示。92图7.24东明黄河大桥(尺寸单位:cm)93东明黄河大桥地势平坦,相应桥墩高度较低,为了减小墩身刚度,采用了变换桥墩刚度的方法来增加连续刚构部分桥墩的柔度,同时在结构体系分析时,考虑了结构与地基的共同作用,将桩—土作用纳入结构分析。重庆石板坡长江大桥复线桥是目前世界上在刚构—连续组合梁桥中跨度最大的桥梁,最大跨度达330m。94(3)总体布置与尺寸拟定

在选择连续刚构桥结构形式时,要充分考虑到固定长度及对应的桥墩高度所适用的界限,同时对桥位条件、经济性、施工可行性、美观和维护管理等各方面进行综合分析。

在连续刚构桥中,端部固定的桥墩高度与固定的跨长之比是判断能否采用连续刚构桥的指标之一,所谓固定跨长,是指有多个固定桥墩约束的跨径总和。由于混凝土收缩徐变、预应力及温度变化等影响会产生梁的伸缩,过长的固定长度会限制梁体的位移,从而导致结构损坏。据统计,大多数固定桥墩高度在50m以下,固定跨长在400m以下,桥墩高度与固定跨长之比一般不超过1/8,如图7.25所示。对双壁墩连续刚构桥则不受此限制,可通过调整双壁墩的双壁间距和壁厚,以适应固定跨长较大的场合。从图7.25中可以看出,双壁墩固定跨长与墩高关系不明显。95图7.25固定跨长与端部固定的桥墩高度关系96对不等高的固定桥墩的连续刚构桥,最低桥墩高度与最高桥墩高度之比不应小于0.2～0.4,否则应予以详细验算。

由于连续刚构桥的受力与连续梁桥相似,因此在桥梁布孔时也都按变孔径布置。根据统计,边跨与中跨之间有如下的关系(图7.26):97图7.26不等高桥墩的连续刚构桥98l′=0.63l+4.7(7.9)式中:l——中跨跨径,m。

在山区公路桥梁中,受到地形限制,过长的现浇节段长度,往往需要搭设很高的支架,既不经济又不安全,现浇节段长度大多控制在4～5m。99100101102103104105106107108109需要指出的是,国内不少连续刚构桥零号块出现了开裂问题,除了与构造和受力复杂、混凝土水化热有关外,也与横隔板有一定的关系,因此,在设计零号块时应慎重处理,同时,采用空间有限元程序做详细的应力分析。

图7.30所示为国内几座连续刚构桥双柱墩尺寸与跨径的几何关系,供拟定尺寸时参考。双柱墩一个柱的厚度一般为双柱墩中距的1/6～1/4;双柱中距一般为墩高的1/5～1/4,而且与根部梁高相当。

建在通航河流或有漂浮物河道上的桥墩,需考虑在船只失控情况下和漂浮物对桥墩的撞击。为抵抗撞击力,可采用“直接式”和“间接式”两种防撞设计。

直接式防撞设计,船只撞击力全部由桥墩承台或墩身直接承受,在设计承台和基础时考虑全部撞击力作用,在墩身设计中考虑全部撞击力作用,同时验算撞击部位的局部受力。110

间接式防撞设计,船只的撞击力由墩外的附加设施来承受,墩身完全不承受或部分承受撞击力,常见的防撞结构有防撞桩(墩)、柔性防撞围堰(岛)、刚性防撞围堰(岛)等。在矮墩的连续刚构桥中,还可以采用承台分离的双柱墩,以减小桥墩抗推刚度。连续刚构桥大多采用直立式桥墩,但也有的采用Y形墩或V形墩。111(7)构造示例

广东虎门大桥位于广(州)深(圳)珠(海)高速公路跨越珠江出海口的一座特大桥,由主跨888m的悬索桥和主跨270m的预应力混凝土连续刚构桥组成,后者称之辅航道桥,桥跨布置为:(150+270+150)m,分上下行两座独立桥,如图7.31所示。设计标准为:汽２超20,挂２120;桥面净宽30m,设中央分隔带、路缘带和紧急停车带;设计行车速度120km/h。全桥位于半径R=7000m的平曲线上。112113主墩全幅桥由322m的钻孔灌注桩群桩基础按嵌岩桩设计,桩长41.5m。主墩高约35m,两幅桥墩身采用分离式结构,单幅桥纵向为双肢墩身,中距9m,每肢厚3m,横桥向宽度与箱梁底同宽(7m),横桥向壁厚取与箱梁零号块横隔板同厚,均为50cm,且与箱梁横隔板对齐,纵桥向壁厚也为50cm。1)设计构思

辅航道桥做桥型布置时,通航净空宽度要求160m,经与混凝土斜拉桥比较后发现,造价比后者节省20%～30%,同时,该桥位于强热带风暴地区,采用预应力混凝土连续刚构桥,可不必在施工期间增设附加的抗风措施,而混凝土斜拉桥长悬臂施工时会带来风致振动引起的风险。

随着交通事业的日益繁忙,需要大跨度、宽桥面的桥梁结构。辅航道桥桥面全宽31m,采用了上下行两座独立桥,好处在于可以采用单箱单室截面,模板简单,减轻节段重量,能采用较长的节段,114加快施工进度,有利于长悬臂施工避开台风季节,但挂篮的数量需增加一倍。采用整体桥,必须采用双室箱截面,边跨需3个支座,支座顶面很难保持相同高程,受力不很明确。

在抗风措施上,将上下行桥的两个主墩承台用系梁连成整体,设4道外横隔梁,这样可大大提高抗风能力,并减小了施工的振幅,为安全施工创造条件。

大跨度梁桥自身重量很大,辅航道桥采用了55号混凝土以降低梁高及底板厚度;通过合理布置预应力筋,将顶板横向跨中厚度由一般的28cm减为25cm,腹板厚度减为40～60cm;采用扁锚的横向预应力束,将顶板悬臂翼缘端部的厚度由一般的20cm减为15cm。

连续刚构桥主拉应力是设计中非常重要的问题,一旦处理不好就会出现腹板开裂现象,通常做法是加厚腹板,但这样不能有效115116

2)纵横向布置

辅航道桥主梁采用竖直腹板的单箱单室预应力混凝土箱梁结构,根部梁高14.8m,跨中和边跨端部梁高5m,梁高沿纵向采用二次抛物线变化,底板厚度从跨中至根部为32～130cm,采用二次抛物线变化,箱梁腹板厚度为40cm和60cm,主梁零号梁段和边跨端部支点各断面尺寸适当增大,主梁零号块长12m,悬臂施工梁段划分为3m、4m、5m三种,边跨现浇梁段16m,中跨合龙段长度2m,悬臂浇筑最大重量为238t。

因此,可以在保持结构整体刚度的前提下,对结构进行合理的轻型化,降低结构自重,在预应力数量不变的条件下,提高纵向预应力产生的正应力σx

和竖向预应力产生的竖向应力σy

的乘积来控制主拉应力,从而达到改善主梁应力状态的目的。117

3)预应力体系

辅航道桥采用三向预应力体系,大吨位预应力,使结构轻型化,取消了弯起束和下弯束,采用平、竖弯相结合的空间曲线,纵向预应力束尽量靠近腹板布置,具有使预应力能较快过渡到全截面承受,能充分利用肋腋布束,有利于顶底板尺寸的减小和截面轻型化,减小预应力束的平弯长度,减小底板的横向内力等优点。118①纵向预应力束布置

设置了两种束型:顶板束和底板束。预应力钢束规格有两种:VSL6２22和VSL6２12。顶板束全部采用6２12规格;底板束多数采用6２22规格,部分采用6２12规格。底板束分边跨底板束和中跨底板束两种。边跨底板束多数在梁段适当弯起锚固,在主跨一端采用齿板锚固;中跨底板束全部采用底板锚固,顶板预应力钢束全部锚固在悬臂施工各阶段端部。②横向预应力束布置采用扁锚预应力体系,纵向间距1m,为节省锚具数量,设计成一端张拉一端轧花固定的锚固方式。119顺桥向间距采用50cm,腹板厚度40cm时每腹板布置成一排,腹板60cm时每腹板布置成两排。精轧螺纹粗钢筋单根控制张拉力为540kN,采用YGM粗钢筋锚具,梁顶一端张拉。此钢筋同时还可作为悬臂施工挂篮的后锚点。③竖向预应力束布置竖向预应力束采用高强精轧螺纹粗钢筋,布设在箱梁腹板内,120(1)自重内力计算特点

第5章介绍的简支梁桥自重内力计算,因施工阶段和成桥阶段的体系未发生变化,因此可以按成桥以后的结构图式进行计算。但连续梁桥和连续刚构桥为超静定结构,