斜腿剛構橋在高速公路中的應用

沈曉鋒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

1 斜腿剛構橋的特點

斜腿剛構在結構上屬于端點簡支的三跨剛構，斜腿與跨中又構成吻合性較差的拱式結構，具有連續(xù)梁與拱的性能，受力情況復雜。橋面兩端簡支，斜腿下端鉸接，構成三次超靜定結構。斜腿剛構因其具有水平向的梁式構件和呈斜向的支承構件而在力學行為上兼具梁式剛構特性和拱的特性，且在橋型構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件中受力不均勻問題，可使橋梁各組成構件變得勻稱。同時，整個橋梁上下部各構件相互固結形成堅固幾何形態(tài)的整體結構，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件的內(nèi)力峰值而使構件受力較小，這樣各構件的體量和尺度變得輕巧和纖細(圖1)。

斜腿剛構的斜腿不僅可以分擔梁部彎矩，且對中跨梁體提供壓力而使其從純彎構件變成偏心受壓構件，故其力學性能比傳統(tǒng)的梁式橋優(yōu)越。另一方面從橋梁的形態(tài)和力學角度看，兩斜腿與中跨主梁近似構成“折線拱式結構”，其力學行為呈現(xiàn)拱的特點—偏心受壓。但因其類似折線拱，構件中的壓力線(特別是恒載壓力線)偏離構件形心線較大，截面會產(chǎn)生較大彎矩，著又向梁的特點靠近。因此僅就受力性能而言，斜腿剛構并不比拱橋優(yōu)越。但因其橋型構造簡單，以最有限的構件組成最簡練的橋體形態(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，使它具有較大的跨越能力及較高的承載能力，特別是對中跨梁段能提供軸向力，因此梁的截面相對較小，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，尚可使用設備較簡陋的轉體法施工。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輸?shù)臉蛭皇┕ぁ?/p>

2 力學特性、結構優(yōu)化與計算方法

2.1 力學特性

2.1.1 力法方程

設剛架自跨中切開，并在切口處裝置一對剛臂，剛臂下端O點作為彈性中心，加上三對贅余力M、H、V作為基本結構(圖2)。

力法方程為:

圖2 力學計算

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

2.1.2 恒載作用

斜腿剛構橋主梁上彎矩較大，而斜腿上彎矩則較小。斜腿上由于軸力很大和彎矩很小，對結構受力有利，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，屬偏壓構件;而副孔部分由于既受彎又受拉，屬彎拉構件，對結構受力不利。所以，在進行結構設計時，斜腿部分由于軸壓力很大，除了驗算彎矩作用平面內(nèi)強度外，還需驗算橫橋向的穩(wěn)定性;主孔部分由于有較大的彎矩，除進行強度計算外，注意驗算裂縫寬度;副孔上除按彎拉結構進行強度計算外，要特別注意裂縫寬度的驗算，同時對此部分的撓度及預拱度計算也必須予以足夠的重視。

2.2 結構優(yōu)化

2.2.1 分跨比的優(yōu)化

以所示橋例進行計算，中跨不變改變邊跨長度，取用不同的分跨比(L1～L2=0.3～1.0)，同時，為保證可比條件，邊跨長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)出受雙向異號彎矩，基礎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、負彎矩絕對值之比達到極小值，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水平力，使兩斜腿之間的主梁承受水平壓力，即“免費預應力”;⑵斜腿可加大橋梁的跨越能力。當斜腿豎向傾角α很小時，水平分力很小，此時與直腿剛構接近;但α角過大時，水平分力過大，對橋墩受力不利。因此，斜腿豎向傾角宜采用34°～45°。

3 實例結構設計與經(jīng)濟比較

3.1 總體設計

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，臺后填土高約5.0 m，橋跨采用(9.0+24.5+9.0)m三跨。設計荷載為汽車－20級、掛－100，人群荷載為3.5 kN/m2。主梁采用實體箱形等截面連續(xù)梁，梁高0.7 m，頂寬8.5 m，底寬6.5 m，兩側設1 m寬的懸臂，主梁為鋼筋混凝土結構。橫橋向設三條斜腿，斜腿間距為2.4 m，斜腿截面高0.7 m，寬0.7 m(圖3)。

橋臺采用肋板式橋臺，橫橋向設三條肋，肋間距2.4 m，與斜腿一一對應，肋前設拱座，與斜腿固結。橋臺配兩層擴大基礎，兩側接擋土墻收坡。

全橋連續(xù)，僅在橋的兩端設簡易伸縮縫即可。

圖3 箱形梁構造

3.2 橋型比較

根據(jù)實際情況，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)梁力學性能最好，且可降低起橋高度，減少占地，但造價最高。簡支梁造價最低且施工簡便，但需要在被交路中間設立一個橋墩，被交路通視條件不佳。斜腿剛構造價居中，且造型優(yōu)美。

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

4 結論

斜腿剛構橋由于具有力學和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢，以及其所擁有的獨特造型和美學價值，在高速公路跨線橋方面有著較大的應用潛力，較具有競爭力，值得推廣。

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

［2］姚玲森，徐光輝.橋梁計算示例集－預應力混凝土剛架橋［M］.北京:人民交通出版社，1990

［3］樊凡.橋梁美學［M］.北京:人民交通出版社，1987

［4］周炎心，宋江平，周宏云.無橋臺斜腿剛構橋設計研究［J］.橋梁建設，2002(2)