沈曉鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

1 斜腿剛構(gòu)橋的特點(diǎn)

斜腿剛構(gòu)在結(jié)構(gòu)上屬于端點(diǎn)簡(jiǎn)支的三跨剛構(gòu)，斜腿與跨中又構(gòu)成吻合性較差的拱式結(jié)構(gòu)，具有連續(xù)梁與拱的性能，受力情況復(fù)雜。橋面兩端簡(jiǎn)支，斜腿下端鉸接，構(gòu)成三次超靜定結(jié)構(gòu)。斜腿剛構(gòu)因其具有水平向的梁式構(gòu)件和呈斜向的支承構(gòu)件而在力學(xué)行為上兼具梁式剛構(gòu)特性和拱的特性，且在橋型構(gòu)件的組成上使受力較大的區(qū)域(跨中附近)產(chǎn)生壓力，而其受力較小的區(qū)域(近端部)讓其純彎，合理地解決了橋梁構(gòu)件中受力不均勻問(wèn)題，可使橋梁各組成構(gòu)件變得勻稱。同時(shí)，整個(gè)橋梁上下部各構(gòu)件相互固結(jié)形成堅(jiān)固幾何形態(tài)的整體結(jié)構(gòu)，共同受力抵抗外荷載。因此，橋梁整體性和剛度均得到提高，并大大削弱了組成構(gòu)件的內(nèi)力峰值而使構(gòu)件受力較小，這樣各構(gòu)件的體量和尺度變得輕巧和纖細(xì)(圖1)。

斜腿剛構(gòu)的斜腿不僅可以分擔(dān)梁部彎矩，且對(duì)中跨梁體提供壓力而使其從純彎構(gòu)件變成偏心受壓構(gòu)件，故其力學(xué)性能比傳統(tǒng)的梁式橋優(yōu)越。另一方面從橋梁的形態(tài)和力學(xué)角度看，兩斜腿與中跨主梁近似構(gòu)成“折線拱式結(jié)構(gòu)”，其力學(xué)行為呈現(xiàn)拱的特點(diǎn)—偏心受壓。但因其類似折線拱，構(gòu)件中的壓力線(特別是恒載壓力線)偏離構(gòu)件形心線較大，截面會(huì)產(chǎn)生較大彎矩，著又向梁的特點(diǎn)靠近。因此僅就受力性能而言，斜腿剛構(gòu)并不比拱橋優(yōu)越。但因其橋型構(gòu)造簡(jiǎn)單，以最有限的構(gòu)件組成最簡(jiǎn)練的橋體形態(tài)，力的傳遞非常清晰、明了、直接。因此，橋梁材料用量指標(biāo)較低，施工也較方便，工序較少。

圖1 K279+660跨線橋總體布置

正是由于這種橋型的特點(diǎn)，使它具有較大的跨越能力及較高的承載能力，特別是對(duì)中跨梁段能提供軸向力，因此梁的截面相對(duì)較小，使工程用料有所降低。其次，在施工方法上，除了采用傳統(tǒng)的纜索無(wú)支架施工、欄所有支架施工、懸臂拼裝、懸臂澆筑法外，尚可使用設(shè)備較簡(jiǎn)陋的轉(zhuǎn)體法施工。后者尤其適用于城市跨線橋、深山峽谷水流湍急、通航河道等橋下有頻繁交通運(yùn)輸?shù)臉蛭皇┕ぁ?/p>

2 力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與計(jì)算方法

2.1 力學(xué)特性

2.1.1 力法方程

設(shè)剛架自跨中切開(kāi)，并在切口處裝置一對(duì)剛臂，剛臂下端O點(diǎn)作為彈性中心，加上三對(duì)贅余力M、H、V作為基本結(jié)構(gòu)(圖2)。

力法方程為:

圖2 力學(xué)計(jì)算

贅余力M和H是對(duì)稱的，V是反對(duì)稱的，因此副系數(shù)δMV=δVM=0，δHV= δVH=0，由于設(shè)置剛臂，取用彈性中心O，故副系數(shù)δMH=δHM=0。力法方程簡(jiǎn)化為

2.1.2 恒載作用

斜腿剛構(gòu)橋主梁上彎矩較大，而斜腿上彎矩則較小。斜腿上由于軸力很大和彎矩很小，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，且彎矩上大下小，所以斜腿可做成上大下小的形式。主孔主梁有較大的彎矩和軸力，屬偏壓構(gòu)件;而副孔部分由于既受彎又受拉，屬?gòu)澙瓨?gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。所以，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，斜腿部分由于軸壓力很大，除了驗(yàn)算彎矩作用平面內(nèi)強(qiáng)度外，還需驗(yàn)算橫橋向的穩(wěn)定性;主孔部分由于有較大的彎矩，除進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算外，注意驗(yàn)算裂縫寬度;副孔上除按彎拉結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算外，要特別注意裂縫寬度的驗(yàn)算，同時(shí)對(duì)此部分的撓度及預(yù)拱度計(jì)算也必須予以足夠的重視。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 分跨比的優(yōu)化

以所示橋例進(jìn)行計(jì)算，中跨不變改變邊跨長(zhǎng)度，取用不同的分跨比(L1～L2=0.3～1.0)，同時(shí)，為保證可比條件，邊跨長(zhǎng)度變化部分的截面均為等截面，斜腿傾角(α=45°)、材料類型、地基作用條件及荷載均不變。

計(jì)算表明:中跨主梁跨中彎矩和軸力(壓力)隨分跨比的增大而減小。邊跨主梁的跨中彎矩和軸力(拉力)卻隨分跨比的增大而增大，斜腿的彎矩隨邊跨比的增大而呈現(xiàn)出受雙向異號(hào)彎矩，基礎(chǔ)水平推力隨著分跨比的增大而減小。合理的分跨比能使中跨主梁及邊跨主梁充分發(fā)揮各自桿件的功能，使其正、負(fù)彎矩絕對(duì)值之比達(dá)到極小值，且讓斜腿始終處于受壓狀態(tài)。

2.2.2 斜腿傾角的優(yōu)化

斜腿的主要作用:⑴斜腿的軸向力可分解一個(gè)水平力，使兩斜腿之間的主梁承受水平壓力，即“免費(fèi)預(yù)應(yīng)力”;⑵斜腿可加大橋梁的跨越能力。當(dāng)斜腿豎向傾角α很小時(shí)，水平分力很小，此時(shí)與直腿剛構(gòu)接近;但α角過(guò)大時(shí)，水平分力過(guò)大，對(duì)橋墩受力不利。因此，斜腿豎向傾角宜采用34°～45°。

3 實(shí)例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)比較

3.1 總體設(shè)計(jì)

被跨路為清嘉高速公路，路基寬度26.0 m，橋下凈空大于5.0 m，臺(tái)后填土高約5.0 m，橋跨采用(9.0+24.5+9.0)m三跨。設(shè)計(jì)荷載為汽車－20級(jí)、掛－100，人群荷載為3.5 kN/m2。主梁采用實(shí)體箱形等截面連續(xù)梁，梁高0.7 m，頂寬8.5 m，底寬6.5 m，兩側(cè)設(shè)1 m寬的懸臂，主梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橫橋向設(shè)三條斜腿，斜腿間距為2.4 m，斜腿截面高0.7 m，寬0.7 m(圖3)。

橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái)，橫橋向設(shè)三條肋，肋間距2.4 m，與斜腿一一對(duì)應(yīng)，肋前設(shè)拱座，與斜腿固結(jié)。橋臺(tái)配兩層擴(kuò)大基礎(chǔ)，兩側(cè)接擋土墻收坡。

全橋連續(xù)，僅在橋的兩端設(shè)簡(jiǎn)易伸縮縫即可。

圖3 箱形梁構(gòu)造

3.2 橋型比較

根據(jù)實(shí)際情況，可選用以下三種橋型作為跨線橋(表1)。

?

在三種橋型中，連續(xù)梁力學(xué)性能最好，且可降低起橋高度，減少占地，但造價(jià)最高。簡(jiǎn)支梁造價(jià)最低且施工簡(jiǎn)便，但需要在被交路中間設(shè)立一個(gè)橋墩，被交路通視條件不佳。斜腿剛構(gòu)造價(jià)居中，且造型優(yōu)美。

在相同跨徑條件下，斜腿剛構(gòu)跨中最大彎矩約為簡(jiǎn)支梁的20% ～30%，在相同荷載作用下，跨中撓度不超過(guò)簡(jiǎn)支梁的10%。

4 結(jié)論

斜腿剛構(gòu)橋由于具有力學(xué)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，以及其所擁有的獨(dú)特造型和美學(xué)價(jià)值，在高速公路跨線橋方面有著較大的應(yīng)用潛力，較具有競(jìng)爭(zhēng)力，值得推廣。

［1］瞿炳孝，郭成德.鋼筋混凝土斜腿剛架橋計(jì)算實(shí)例［M］.北京:人民交通出版社，1990

［2］姚玲森，徐光輝.橋梁計(jì)算示例集－預(yù)應(yīng)力混凝土剛架橋［M］.北京:人民交通出版社，1990

［3］樊凡.橋梁美學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，1987

［4］周炎心，宋江平，周宏云.無(wú)橋臺(tái)斜腿剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究［J］.橋梁建設(shè)，2002(2)