斜腿刚构桥梁的结构设计分析

汪远

广州市恒津路桥设计咨询有限公司广州市511400

摘要：本文介绍了斜腿刚构桥梁结构在不同边中跨比例、不同斜腿倾角下的受力特点，根据实际案例分析，以便为斜腿刚构桥梁的设计提供指导。

关键词：斜腿刚构，结构设计，内力分析。

前言

斜腿刚构桥梁作为近年来较为新型的桥梁结构，从构造上看，具有构件简洁明了、视觉和精神上给人简洁而明快的美学效应。从受力特点上看，其结合了梁式桥梁和拱桥的优点，结构受力也更为合理，截面尺寸也更为轻盈。

由于近年来高等级公路的建设，较大挖方的路基不可避免的需要设置天桥跨越，为不影响高等级公路的交通安全、保障地方交通的顺畅，选择合理的天桥结构型式尤为重要。从高等级公路的横断面特点分析，其边坡以及路面组成了一个类似倒梯形的截面，因此采用斜腿支撑于边坡的斜腿刚构桥梁，既充分利用了边坡天然的特点，也保障了桥下公路的净空及通行安全，同时也具有较高的美学效应。

然而，由于受限于此类桥梁并不常见，可借鉴的桥梁较为有限，因此本文笔者假定对不同边中跨比例、不同斜腿倾角的桥梁进行同工况的结构分析比较，以确定最优的边中跨比以及斜腿倾角。

1概述

本文选用笔者设计的云南某高速公路的车行天桥作为基本原型，在其总桥长、截面尺寸不变的情况下，调整其边中跨比例以及斜腿倾角进行内力分析比较。

2模型的建立

本桥上部结构为18+30+18m普通钢筋混凝土连续箱梁，其横截面为单箱单室截面，桥顶板宽9m，底板宽5m，悬臂宽度2m，跨中梁高1.0m，支点处梁高1.75m。主墩柱高10.3m，斜腿采用5*1.1m等截面形式，墩底铰接。

本次采用midascivil计算软件建立全桥有限元模型，模型见图1。

图1：全桥有限元模型

3荷载处理及参数取值

全桥整体建模，仅考虑上部箱梁自重及二期恒载自重，暂不考虑活载的作用，横隔梁以集中荷载的形式施加。桥墩墩底采用铰接连接扩大基础，墩与梁连接处按刚性连接考虑。边跨支点处采用滑动支座与桥台连接。

上部结构采用C50混凝土、下部结构采用C40混凝土。

4不同桥型布置下的计算结果

4.1不同边中跨比下的内力结果

为了寻求合理的边中跨比，针对本次探讨，同时，为取得同等的比较条件，假定不同分跨比时，结构的尺寸不变、斜腿倾角为45度，材料类型及荷载均不变，在这些条件下，对不同的边中跨比结构进行内力计算（主要为弯矩及内力计算）。本次计算只研究恒载内力（自重＋二期恒载）对结构的影响。

表1：不同边中跨比例下跨径的分配

表2：不同边中跨比结构主要截面内力

表2内力计算结果表明，随着边中跨比例的增大，主梁边跨跨中弯矩逐渐递增，中跨跨中和中跨支点的弯矩和轴力不断减小。由于斜腿不仅可以分担部分的上部结构弯矩，而且对中跨主梁提供了压力从而使其变成偏压构件，故与纯受弯构件相比其承受最大弯矩能力大大增强，受力特性比传统连续梁桥优越。根据本条原则筛选比较表2中的结果，当边中跨比为0.6的时候，受力状态最为合理和优越的。

随着边中跨比例的增大，斜腿顶的弯矩逐渐反向，轴力逐渐减小，弯矩在边中跨比为0.8的时候最小，轴力在边中跨比为0.9的时候最小，考虑到桥墩应尽量承受轴向压力，对桥墩基础的水平推力，同时考虑到运营阶段活载对弯矩有影响，因此边中跨比0.6~0.7时，对斜腿的受力较为有利。

结合上述计算结果分析，对于斜腿刚构桥梁的边中跨比例，建议取值0.6左右。

4.2不同斜腿倾角下的内力结果

根据相关研究资料，从桥梁的形态和力学角度看，两斜腿与中跨主梁近似构成一“折线拱式结构”，

因此其力学行为呈现拱的特点--偏心受压，其构造简单，力的传递非常清晰。因此，斜腿对主梁施加了一定的水平分力，使得主梁中跨处于受压的状态，这是有利的，同时对斜腿基础施加了一个水平分力，而且随着倾角增大，对基础的水平分力也在增大，易对基础产生不利影响。因此，对斜腿倾角的合理取值尤为重要。

以章节4.1中推荐的边中跨比0.6模型为原型，分别对斜腿在25°~55°（5°为一级）倾角下，建模计算结构的内力和变形。下表为不同倾角的受力汇总。

表3：不同斜腿倾角结构主要截面内力

根据表3内力计算结果显示，随着斜腿倾角的增大，主梁边跨跨中、中跨跨中和中跨支点的弯矩变化幅度不明显。而主梁轴力随着斜腿倾角的增大不断增大，因此适当增大角度对主梁是有利的。然而增大倾角的同时，对基础产生的水平力也不断的增大，对基础不利。如果斜腿基础地质处于坚硬基岩处，则水平推力的增加对基础的影响有限；如果基础处于一般的地质中，则将对基础位移产生比较大的影响，从而引起整座桥梁结构的安全，因此，对于一般的地质，角度不宜取大值，如因条件限制必须采用大倾角，则应对基础采取相应的加固措施，以满足承载要求。

根据以上分析，斜腿刚构桥有类似于拱式结构的受力特点，因此结合拱桥的特性从桥梁受力合理、结构安全、以及桥梁美观等角度，斜腿倾角在40°~45°较为合适。

5结论

本例通过对斜腿刚构桥梁在不同边中跨比例、斜腿倾角进行内力分析计算并比较分析，当主梁边中跨长比越为0.6的时候，斜腿倾角40°~45°时，桥梁的各种受力指标更合理。

斜腿刚构桥梁具有构造简单美观、受力传递清晰、且能充分利用混凝土抗压能力好的优点。根据对已建斜腿刚构桥梁的统计，相对于拱桥，桥梁材料用量指标较低、结构受力简单、施工工序少的优点，值得进一步推广。

参考文献:

[1]中华人民共和国行业标准（JTJD60-2004）《公路桥涵设计通用规范》北京：人民交通出版社，2004.

[2]范立础,《桥梁工程》，北京：人民交通出版社，2012.

[3]孙波，斜腿刚构式桥的特性分析，《中国水运（理论版）》，2006.7.