沈曉鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

1 斜腿剛構(gòu)橋的特點

斜腿剛構(gòu)在結(jié)構(gòu)上屬于端點簡支的三跨剛構(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，受力情況復雜。橋面兩端簡支，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)件中受力不均勻問題，可使橋梁各組成構(gòu)件變得勻稱。同時，整個橋梁上下部各構(gòu)件相互固結(jié)形成堅固幾何形態(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(圖1)。

斜腿剛構(gòu)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(gòu)件變成偏心受壓構(gòu)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(gòu)成“折線拱式結(jié)構(gòu)”，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(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(gòu)并不比拱橋優(yōu)越。但因其橋型構(gòu)造簡單，以最有限的構(gòu)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(shè)備較簡陋的轉(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輸?shù)臉蛭皇┕ぁ?/p>

2 力學特性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與計算方法

2.1 力學特性

2.1.1 力法方程

設(shè)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(jié)構(gòu)(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(shè)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(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，屬彎拉構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)受力不利。所以，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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(yīng)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(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計與經(jīng)濟比較

3.1 總體設(shè)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(shè)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(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)。

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

全橋連續(xù)，僅在橋的兩端設(shè)簡易伸縮縫即可。

圖3 箱形梁構(gòu)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)。

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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(shè)立一個橋墩，被交路通視條件不佳。斜腿剛構(gòu)造價居中，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(jié)論

斜腿剛構(gòu)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(yīng)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(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［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(gòu)橋設(shè)計研究［J］.橋梁建設(shè)，2002(2)