刚构桥梁设计

关于连续刚构桥的初步设计

摘 要: 随着社会经济的发展，修建大量的高等级公路已是时代发展的必然要求，高等级公路对于路线的线形指标有着较高的要求，许多对线形适应性高、外形美观、造价合理的桥梁不断被引入和发展,这其中便包含连续刚构桥。

关键词: 连续刚构桥；上部结构；稳定性 一、国内连续刚构桥发展

我国于1988年开始从国外引入该桥型,1990年建成了国内首座连续刚构桥一主跨180m的广州洛溪大桥(图1.1)。

图1.1 国内首座连续刚构桥——洛溪大桥

其后,随着公路建设的迅猛发展，连续刚构桥梁的建设数量呈井喷式增长，取得了举世瞩目的成绩。据不完全统计，截止2008年，我国国内己建或在建主跨大于200m的连续刚构桥有55座，跨径在100m~200m的之间的连续刚构桥梁百余座，2006年建成的重庆石板坡大桥复线桥主跨更是达到330m ，此桥的独特之处在于主跨跨中部分为一段长108m的钢箱梁。部分国外主跨跨度超过250m的预应力混凝土连续刚构见表1.2，国内部分主跨跨径超过200m的预应力混凝土连续刚构桥梁见表1.3。

表1.2部分国外主跨跨径超过250m连续刚构桥梁

序号 1 2 桥名 Gateway TaluebergangSchottwien 主跨跨径（m） 260 250 所在国家 澳大利亚 奥地利 修建时间 1985 1989 3 4 5 Ponte Sjoao Skye Stolma 250 250 301 葡萄牙 苏格兰 挪威 1991 1995 1998

表1.3部分国内主跨跨径超过200m连续刚构桥梁

序号 1 2 3 4 5 6 7 桥名 湖北黄石长江公路大桥 虎门大桥辅航道桥 山东济南黄河大桥 重庆马鞍石嘉陵江大桥 福建宁德下白石大桥 柏溪金沙江大桥 苏通长江大桥辅航道桥 主跨跨径（m） 245 270 210 250 260 249 268 所在国家 湖北 广东 山东 重庆 福建 四川 江苏 修建时间 1995 1997 1999 2002 2003 2006 2008 二、连续刚构桥的特点:

(1)连续刚构桥的上部结构具有连续梁桥的受力特点，但由活载引起的跨中区域正弯矩较连续梁桥小。当桥壤采用双肢薄壁墩时，对壤顶梁段形成多点支撑，对壤顶梁体的负弯矩具有显著的消弯作用。

(2)连续刚构桥具有良好的抗震性能，地震作用下产生的水平地震力可分摊给各个桥缴承受，不需要像连续梁一样设置制动桥墩，或采用价格昂贵的专用抗震支座。

(3)连续刚构桥壤梁固结，省却了大跨连续梁桥的支座，无需进行巨型支座的设计、制造、养护与更换，可节省工程费用。

(4)由于采用壤梁固结，连续刚构便于采用悬臂法施工，避免了连续梁桥施工时进行施工体系转换所需的临时固结措施。

(5)外形美观，由于伸缩缝设置较少，具有良好的行车平顺性。

(6)部分连续刚构桥存在跨中下烧较大现象，如湖北黄石大桥跨中下烧达22.6cm，虎门大桥辅航道桥跨中最大下挠达22.2cm。且跨中下烧长期增长,结构的长期烧度值远大于设计值，严重影响到这一桥型的进一步发展。

三、连续刚构桥的未来发展

(1)上部结构不断轻型化，采用高强混凝土或轻质混凝土，减轻上部结构自重，进而降低对挂篮的要求和基础工程量，以降低工程造价。

(2)在大跨连续刚构桥梁中，使用波形钢腹板代替混凝土腹板，在降低上部结构自重的同时避免混凝土腹板开裂现象。

(3)在连续刚构桥梁初步设计时，对连续刚构桥梁的设计参数进行优化，合理选择连续刚构桥梁的设计参数。

四、桥梁结构设计方案

连续刚构桥梁的设计参数众多，在所有的设计参数,并不是所有的设计参数对于其受力性能的影响都相同，在进行优化时，需要选择的参数是那些对结构的受力性能影响较大的参数。

在连续刚构桥梁的设计中，其主桥部分的长度通常是确定的，连续刚构桥梁自身的设计参数主要可分为上部结构参数与下部结构参数两类，本文暂未考虑连续刚构桥梁在静力与地震作用下的环境参数,如不同的温度作用、不同的行波方式与不同的地震波种类等。

上部主梁的截面形式主要有单箱单室与单箱双室两种，根据文献统计资料，目前连续刚构桥梁主梁截面形式以单箱单室为主。

单箱单室连续刚构桥梁的上部结构参数分类如下: 1、边中跨比:连续刚构桥梁边跨与中跨的比值。 2、主梁截面形式及尺寸： 1)梁底曲线幂次;

2)梁闻参数:跨中梁高高跨比、根部梁高高跨比;

3)箱梁几何参数:顶板厚度、底板厚度、腹板厚度、悬臂长度与横隔板尺寸。 3、上部主梁施工节段的划分。 4、上部主梁预应力束的布置： 1)纵向预应力钢束的布置; 2)横向预应力钢束的布置;

3)竖向预应力钢束的布置。

连续刚构桥梁的下部结构参数分类如下:

(1)墩截面形式:主要为单肢墩与双肢墩,两种桥增又各分为实心与空心两种; (2)墩布置形式:双肢墩布置间距、墩高比;

(3)墩截面尺寸:墩顺桥向与横桥向的宽度、空心墩的墩壁厚; (4)系梁的布置形式。

4、1确定上部结构优化变量

连续刚构桥梁的边中跨比值是上部结构的重要设计参数，边中跨比值的选用将会直接影响到梁体内力分布的合理性与施工的方便。边中跨比值过大，将会使边跨的整体刚度偏小，从而导致边跨主梁的应力与烧度不易控制，过大的边中跨比值还会增加边跨支架现绕段的长度，带来施工上的不便；边中跨比值过小，则会不利于连续刚构桥梁的悬臂施工饶筑，甚至会导致过渡桥墩的墩顶支座出现负反力。合理的边中跨比值应能使桥梁具有良好受力性能的同时也便于施工。因此边中跨比值应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。

连续刚构沿顺桥向一般釆用变高度的箱梁截面形式，梁体高度沿纵桥向的变化曲线可以是抛物线、圆曲线以及样条曲线，由于抛物线的形状与梁体在恒载作用下的弯矩图具有相同的变化规律，连续刚构桥梁的梁底曲线常釆用抛物线。采用高次抛物线可以有效的降低根部至跨中部分梁段的梁高，减轻结构的自重，从而降低基础的工程量，但研究表明当采用较高的抛物线次数时，会造成主梁1/4跨径处与1/8跨径处的主拉应力过大。当采用次数较低的抛物线时，会增加结构的自重与基础的工程量，同时底板崩裂的风险也会随着所采用抛物线次数的降低而增加。因而梁底曲线幂次应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。

连续刚构桥梁墩顶负弯矩的绝对值较跨中正弯矩值大，同时连续刚构桥梁多釆用悬臂浇筑施工，该施工方法会在墩顶形成更大的墩顶负弯矩，上述受力特性决定了连续刚构桥梁的墩顶梁高大于跨中梁高。研究表明根部梁高的高跨比与跨中梁高的高跨比对于主梁在汽车荷载下的冲击作用、主梁抗裂性能、主梁的强度和烧度等都具有较为显著的影响。因而主梁的根部与跨中梁高与主跨的高跨比应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。

箱梁的顶板厚度主要考虑两个方面的因素，一是箱梁在活载作用下的横向弯矩和剪力，二是顶板预应力钢束布置的构造要求。据统计,在现有连续刚构桥梁的设计中，顶板厚度沿顺桥向一般为等厚，厚度变化范围为25cm-28cm，变化范围不大，可考虑为优化常量。

连续刚构桥梁箱梁底板的设计主要考虑梁体自身在箱梁底板产生的作用效应、施工荷载、跨中箱梁底板合拢束布置的构造要求。箱梁底板厚度沿顺桥向的