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第五章刚架桥 5 1刚架桥的概念一 定义 1 定义 桥跨结构 梁或板 和墩台整体相连的桥梁称为刚架桥 2 受力特点 1 梁墩柱刚性连接 梁因墩柱的抗弯而卸载 整个体系是压弯结构 也是有推力结构 2 刚架桥的桥下净空比拱桥大 在同样净空要求下可修建较小的跨径 3 刚架桥施工较复杂 一般用于跨度不大的城市或公路的跨线桥和立交桥 4 现在采用预应力混凝土和悬臂施工的刚架桥 己成为大跨度桥梁竞争方案之一 1 2 3 形式 1 刚架构造分为直腿刚架 门式 和斜腿刚架 2 V形墩刚架桥 为减少支柱肩部的负弯矩峰值 将支柱做成V形墩形式 3 带拉杆形式 为方便采用悬臂施工 并且减少跨中正弯矩和挠度值 做成两端带拉杆的结构形式 施工时可在端部临时压重 3 4 5 6 V形墩刚架桥 荷兰布里尔斯马斯桥 7 日本 茨城县十王川桥V形墩刚架桥 8 桂林漓江桥1987年95m国内第一次采用V形桥墩 9 10 带拉杆形式 11 4 T形刚构 桥跨结构的上部梁在墩上采用两边平衡悬臂施工 首先形成一个T字形的悬臂结构 然后相邻的两个T形悬臂在跨中可用剪力铰或跨径较小的挂梁联成一体 称为带铰或带挂孔的T形刚构 12 13 14 5 连续刚构 如果在跨中采用预应力钢筋和现浇混凝土联成整体 则为连续刚构 亦称为连续一刚构连续体系 简称为连续刚构桥 15 16 6 分离式连续刚架桥 对于主梁连续时的多跨刚架桥 当强烈全长太大时 或者做成数座相互分离的主梁连续式刚架桥 主要用于城市高架桥 17 4 适用 钢筋混凝土 中 小跨径预应力钢筋混凝土 大跨度直腿刚架 门式 和斜腿刚架 中 小跨径T形刚构 连续刚构 大跨度 18 二 刚架桥的新发展 1 1953年联邦德国修建的沃伦姆斯桥为主跨114 2m的T形刚构 它是钢桥传统施工方法 悬臂施工法在预应力混凝土桥梁中的创造性应用 不仅方便地解决了预应力混凝土桥施工难题 而且发展预应力结构新型体系T形刚构 并对其它体系桥梁产生深远的影响 而T形刚构因其独特的优点 一经问世便得到了广泛的应用 2 实例 19 1 1980年重庆长江大桥T形刚构全长1120m 桥宽21m 174m 8跨 悬臂梁端高3 2m 根部11 0m 挂梁35m 桥墩等截面空心钢筋混凝土 高70m 全国最大 20 2 1990年国内第一座连续刚构桥跨径180m广州洛溪大桥 通航净空34m 120m 65 125 180 110m 根部10m 跨中3m 双壁式薄壁空心墩 桥面标高高 引桥1376 24m 21 3 黄石长江大桥1995年245m 全长2580m 162 5 3 245 162 5m 国内最大连续长度预应力混凝土连续刚构桥 22 4 重庆黄花园大桥 1999年 250m 全长1030m 23 5 虎门大桥副航道桥 1997年 270m 当时世界第一 两年后挪威主跨298m替代 24 6 沅陵沅水桥140m四跨不对称预应力混凝土连续刚构桥墩高52 4m 25 7 芬兰图尔库米勒桥71 02m跨中梁高0 86m斜腿处2 70m纤细主梁由跨越岸边人行通道短孔平衡 26 8 广西横县峦城大桥国内首次双层桥面预应力混凝土连续刚桁架桥国外一般为钢骨架拼装 27 3 分类 1 一种说法 在桥梁界有些学者将T形刚构和连续刚构划分为梁式桥 且认为T形刚构桥是预应力混凝土梁式桥中悬臂体系得到了改进与发展 形成了一种新型结构的梁式桥 连续刚构是将T形刚构粗厚桥墩减薄 形成柔性桥墩 使墩梁固结 主梁连续形成连续一刚构桥 它又是T形刚构与连续梁结合的一种新型体系 2 另一种说法 也有学者将T形刚构和连续刚构归结为组合体系桥 即认为它们都是梁和刚架相结合的组合体系桥 3 本书 由于T形刚构桥和连续刚构桥的共同特点是墩梁固结 与刚架桥结构基本一致 所叫本书将它们归类于刚架桥 28 5 2T形刚构桥的主要特点 一 T形刚构桥的主要特点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 由于钢筋混凝土梁式结构承受负弯矩 顶面裂缝不可避免 因此钢筋混凝土T形刚构不可能做成很大的跨径 而预应力混凝土T形刚均可直接采用悬臂施工法 从20世纪50年代产生以来 预应力混凝土T形刚构得难了迅速发展 29 二 分类 预应力混凝土T形刚构桥 分为跨中带剪力铰的和跨内设挂梁的两种基本类型 1 带铰的T形刚构桥1 带铰的T形刚构是一种超静定结构 它的上部结构全部是悬臂部分 相邻两悬臂通过剪力铰相连接 2 优点 剪力铰是一种只传递竖向剪力而不传递纵向水平力和弯矩的连接构造 当在一个T构结构单元上作用有竖向荷载时 相邻的T构单元通过剪力铰共同参与受力 从结构整体受力和牵制悬臂端的变形分析 剪力铰对T形刚构桥的内力起到有利作用 3 缺点 带铰的T形刚构桥由于温度变化 混凝土收缩徐变和基础不均匀沉陷等因素的作用会使结构内产生很难准确计算的附加内力 而且悬臂端因塑性变形产生挠度不易调整以致带来行车不平顺以及有时施工中还要强迫合拢等许多不足 其次 剪力铰不仅结构复杂 用钢量多 造成费用增加 而且铰和梁的刚度差异引起结构变形不协调 致使桥面不平顺 导致行车不舒适 上述种种缺点限制了带铰T形刚构桥的应用范围 30 2 带挂孔的T形刚构桥 1 挂孔的T形刚构桥是一种静定结构 与带铰的T形刚构相比 虽然各个T构单元完全独立作用时 其受力与变形情况稍差 但它消除了钢筋混凝土结构的缺点 充分发挥了结构在营运和施工中受力一致的独特优点 2 受力明确 构造简单 特别是挂梁与多孔引桥简支跨尺寸相同时 更能加快全桥施工进度 从而获得更高的经济效益 3 虽增加了牛腿构造 但免去了剪力铰复杂构造 4 主要缺点除桥面伸缩缝多 对高速行车不利外 在施工中还增加预制与安装挂梁的机具设备 31 总结 1 T形刚构桥无论是带铰的还是带挂梁的 它与预应力混凝土连续梁桥相比 用悬臂施工法 可节省墩梁固结和跨中合拢两道关键工序 2 虽然桥墩刚度较大 但可节省昂贵的支座 其综合用材和费用却比连续梁经济 3 特别是T形刚构受力是长悬臂体系 全跨以承受负弯矩为主 预应力束筋布置在桥的顶面上 方便了施工 与悬臂拼装施工方法协调结合是它的主要特点 为T形刚构桥施工悬空作业机械化 装配化提供了有利条件 4 尤其对深水 深谷 大江 急流等碍障条件下修建大跨度桥梁 施工条件十分有利 并可获得合经济指标 32 5 3连续刚构桥的主要特点 一 定义由于应用传统的钢桥悬臂施工方法 使预应力混凝土梁式桥的悬臂体系得到了新的发展 形成了T形刚构桥 随后又出现了将T形刚构粗厚桥墩减薄 形成柔性桥墩 使墩梁固结 主梁连续从而形成连续刚构桥 33 34 二 特点 1 与连续梁桥的主要区别 在于柔性桥墩的作用 使结构在竖向荷载作用下 基本上属于一种墩台无推力的结构 而上部结构具有连续梁施工的一般特点 2 连续刚构桥特点 1 跨中不设铰也不带挂梁 桥面连续 行车平顺 2 更重要的是粱体内的内力分布更加合理 能充分发挥高强材料的作用 有利于增大跨径 3 随着桥梁施工技术水平的提高 对混凝土收缩 徐变 温度变化 预应力作用 墩台不均匀沉陷等因素引起的附加内力研究的深入和问题的不断解决 大跨度预应力混凝土连续刚构桥已成为目前主要采用的桥梁结构体系 35 3 连续刚构桥跨越能力大 受力合理 结构整体性能好 桥面连续行车舒适 造型简单 施工又相对菏单 其投资比斜拉桥 悬索桥同等跨度条件下要低 在高墩结构中也比一直以为最便宜的简支粱桥同等条件下投资偏低或相同 是一种极有发展前景的新型桥梁结构形式 36 三 已获得发展 1 我国1900年建成第一座跨径为180m的大跨度预应力混凝土连续刚构桥 广东洛溪大桥 从此连续刚构桥在我国得到了广泛的应用和大量的推广 2 自1995年以来建成的主跨超过200m的连续刚构桥有黄石长江大桥 虎门大桥副航运桥 江津长江大桥 重庆高家花园嘉陵江大桥 四川泸州长江二桥 广东南澳跨诲大桥 四川马鞍石嘉陵江大桥 重庆黄花园大桥等 特别是虎门大桥副航道桥是我国连续刚构桥中最重要的一座特大桥梁 建成时为该桥型跨径世界之最 但这个记录保持不到两年 就被挪威RaftSendet桥 主跨298m 所代替 但虎门大桥无论是设计 施工 科研上均取得了重要成果 为我国修建300m跨径以上的连续刚构桥做好了充分的技术准备 37 四 今后发展方向 连续刚构的结构特点时主梁连续 墩梁固结 既保持了连续梁无收缩缝 行车平顺的优点 又保持了T形刚构不设支座 无需体系转换的优点 方便施工 而且很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度能很好地满足较大跨径桥梁的受力要求 因此它是一种极有生命力的桥梁结构形式 不仅己成为大跨度预应力混凝土桥梁的首选桥型 而且连续刚构桥还具有下列发展趋势 1 跨径可进一步增大我国正处于修建连续刚构桥的热潮之中 跨径280m的奉节长红大桥正在建设 珠海跨伶仃洋的特大桥已提出了跨径318m跨横门车航道的连续刚构方案 可以预计 跨径300m以上的连续刚构桥在不久的将来必然会在中国出现 38 2 上部结构不断轻型化桥梁上部结构的轻型化 可以减轻上部结构的自重 减少材料用量 也可以降低对挂篮的要求 从而降低工程造价 由于采用大吨位锚具 高强混凝土和轻质混凝土 上部结构不断轻型化 这也是连续刚构桥的发展方向 3 简化预应力束类型 我国预应力混凝土连续刚构桥设计中 已有相当多的桥梁取消了弯起束和连续束 用竖向预应力和纵向预应力承担主拉应力 极大地方便了施工 不仅简化了顶应力结构体系 而且受到施工单位的欢迎 4 取消边跨合拢段落地支架设计采用合适的边跨与主跨比 在导梁上直接合拢边跨 或与引桥的悬臂相连接实现边跨合拢段的现浇 在高墩的条件下取消边跨合拢段的落地支架 除带来一定的经济效益外 还可方便施工 39 5 上部结构连续长度增长为了适应高速行车的需要 将行车舒适性提高到重要位置 国外产生了 少用和不用伸缩缝是最好伸缩缝 的新观点 于是国外桥梁设计中最大限度增加上部结构的连续长度 我国的桥梁设计者也注意到这一发展趋势 连续刚构桥从洛溪大桥上部结构连续长度480m发展到黄花园大桥1024m 使上部结构的连续长度增加了近2 2倍 如果设计中再考虑一些技术措施 预计在条件允许时连续刚构桥可发展到1200 150