斜腿刚构桥在高速公路中的应用

沈晓锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

1 斜腿刚构桥的特点

斜腿刚构在结构上属于端点简支的三跨刚构，斜腿与跨中又构成吻合性较差的拱式结构，具有连续梁与拱的性能，受力情况复杂。桥面两端简支，斜腿下端铰接，构成三次超静定结构。斜腿刚构因其具有水平向的梁式构件和呈斜向的支承构件而在力学行为上兼具梁式刚构特性和拱的特性，且在桥型构件的组成上使受力较大的区域(跨中附近)产生压力，而其受力较小的区域(近端部)让其纯弯，合理地解决了桥梁构件中受力不均匀问题，可使桥梁各组成构件变得匀称。同时，整个桥梁上下部各构件相互固结形成坚固几何形态的整体结构，共同受力抵抗外荷载。因此，桥梁整体性和刚度均得到提高，并大大削弱了组成构件的内力峰值而使构件受力较小，这样各构件的体量和尺度变得轻巧和纤细(图1)。

斜腿刚构的斜腿不仅可以分担梁部弯矩，且对中跨梁体提供压力而使其从纯弯构件变成偏心受压构件，故其力学性能比传统的梁式桥优越。另一方面从桥梁的形态和力学角度看，两斜腿与中跨主梁近似构成“折线拱式结构”，其力学行为呈现拱的特点—偏心受压。但因其类似折线拱，构件中的压力线(特别是恒载压力线)偏离构件形心线较大，截面会产生较大弯矩，着又向梁的特点靠近。因此仅就受力性能而言，斜腿刚构并不比拱桥优越。但因其桥型构造简单，以最有限的构件组成最简练的桥体形态，力的传递非常清晰、明了、直接。因此，桥梁材料用量指标较低，施工也较方便，工序较少。

图1 K279+660跨线桥总体布置

正是由于这种桥型的特点，使它具有较大的跨越能力及较高的承载能力，特别是对中跨梁段能提供轴向力，因此梁的截面相对较小，使工程用料有所降低。其次，在施工方法上，除了采用传统的缆索无支架施工、栏所有支架施工、悬臂拼装、悬臂浇筑法外，尚可使用设备较简陋的转体法施工。后者尤其适用于城市跨线桥、深山峡谷水流湍急、通航河道等桥下有频繁交通运输的桥位施工。

2 力学特性、结构优化与计算方法

2.1 力学特性

2.1.1 力法方程

设刚架自跨中切开，并在切口处装置一对刚臂，刚臂下端O点作为弹性中心，加上三对赘余力M、H、V作为基本结构(图2)。

力法方程为:

图2 力学计算

赘余力M和H是对称的，V是反对称的，因此副系数δMV=δVM=0，δHV= δVH=0，由于设置刚臂，取用弹性中心O，故副系数δMH=δHM=0。力法方程简化为

2.1.2 恒载作用

斜腿刚构桥主梁上弯矩较大，而斜腿上弯矩则较小。斜腿上由于轴力很大和弯矩很小，对结构受力有利，且弯矩上大下小，所以斜腿可做成上大下小的形式。主孔主梁有较大的弯矩和轴力，属偏压构件;而副孔部分由于既受弯又受拉，属弯拉构件，对结构受力不利。所以，在进行结构设计时，斜腿部分由于轴压力很大，除了验算弯矩作用平面内强度外，还需验算横桥向的稳定性;主孔部分由于有较大的弯矩，除进行强度计算外，注意验算裂缝宽度;副孔上除按弯拉结构进行强度计算外，要特别注意裂缝宽度的验算，同时对此部分的挠度及预拱度计算也必须予以足够的重视。

2.2 结构优化

2.2.1 分跨比的优化

以所示桥例进行计算，中跨不变改变边跨长度，取用不同的分跨比(L1～L2=0.3～1.0)，同时，为保证可比条件，边跨长度变化部分的截面均为等截面，斜腿倾角(α=45°)、材料类型、地基作用条件及荷载均不变。

计算表明:中跨主梁跨中弯矩和轴力(压力)随分跨比的增大而减小。边跨主梁的跨中弯矩和轴力(拉力)却随分跨比的增大而增大，斜腿的弯矩随边跨比的增大而呈现出受双向异号弯矩，基础水平推力随着分跨比的增大而减小。合理的分跨比能使中跨主梁及边跨主梁充分发挥各自杆件的功能，使其正、负弯矩绝对值之比达到极小值，且让斜腿始终处于受压状态。

2.2.2 斜腿倾角的优化

斜腿的主要作用:⑴斜腿的轴向力可分解一个水平力，使两斜腿之间的主梁承受水平压力，即“免费预应力”;⑵斜腿可加大桥梁的跨越能力。当斜腿竖向倾角α很小时，水平分力很小，此时与直腿刚构接近;但α角过大时，水平分力过大，对桥墩受力不利。因此，斜腿竖向倾角宜采用34°～45°。

3 实例结构设计与经济比较

3.1 总体设计

被跨路为清嘉高速公路，路基宽度26.0 m，桥下净空大于5.0 m，台后填土高约5.0 m，桥跨采用(9.0+24.5+9.0)m三跨。设计荷载为汽车－20级、挂－100，人群荷载为3.5 kN/m2。主梁采用实体箱形等截面连续梁，梁高0.7 m，顶宽8.5 m，底宽6.5 m，两侧设1 m宽的悬臂，主梁为钢筋混凝土结构。横桥向设三条斜腿，斜腿间距为2.4 m，斜腿截面高0.7 m，宽0.7 m(图3)。

桥台采用肋板式桥台，横桥向设三条肋，肋间距2.4 m，与斜腿一一对应，肋前设拱座，与斜腿固结。桥台配两层扩大基础，两侧接挡土墙收坡。

全桥连续，仅在桥的两端设简易伸缩缝即可。

图3 箱形梁构造

3.2 桥型比较

根据实际情况，可选用以下三种桥型作为跨线桥(表1)。

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在三种桥型中，连续梁力学性能最好，且可降低起桥高度，减少占地，但造价最高。简支梁造价最低且施工简便，但需要在被交路中间设立一个桥墩，被交路通视条件不佳。斜腿刚构造价居中，且造型优美。

在相同跨径条件下，斜腿刚构跨中最大弯矩约为简支梁的20% ～30%，在相同荷载作用下，跨中挠度不超过简支梁的10%。

4 结论

斜腿刚构桥由于具有力学和经济方面的优势，以及其所拥有的独特造型和美学价值，在高速公路跨线桥方面有着较大的应用潜力，较具有竞争力，值得推广。

［1］瞿炳孝，郭成德.钢筋混凝土斜腿刚架桥计算实例［M］.北京:人民交通出版社，1990

［2］姚玲森，徐光辉.桥梁计算示例集－预应力混凝土刚架桥［M］.北京:人民交通出版社，1990

［3］樊凡.桥梁美学［M］.北京:人民交通出版社，1987

［4］周炎心，宋江平，周宏云.无桥台斜腿刚构桥设计研究［J］.桥梁建设，2002(2)