第二节 门式刚架桥构造与设计
第二节 门式刚架桥构造与设计
[A2-5.8] 1. 结构形式
单跨门式刚架桥主梁与立柱（或竖墙）固结，立柱（或竖墙）与基础有固结[图2-5-5a）]和铰接[图2-5-5b）]两种结构形式。
（1）当刚架桥受到地基承载力条件限制时，通常采用铰接支承。若柱脚采用固结支承，将使基底截面的边缘应力和偏心距超过规范限值；若柱脚采用铰接支承，基础将主要处于受压工作状态，铰接处剪力V对基底截面产生的力矩一般较小。
（2）在相同梁柱刚度比（I2/I1 ）的情况下，固结支承的角隅弯矩Ms将比铰接支承的Mc大，为改善角隅处的局部应力状态，一般采用铰接支承。
a）固结支承；b）铰接支承
图2-5-5 门式刚架桥固结支承与铰接支承的内力对比示意
为了抵抗较大的水平推力，通常将门式刚架桥设计成底部带拉杆的结构形式[图2-5-6c）]或封闭式框架结构。对于跨径超过25 m的门式刚架桥应考虑立柱高度与主梁跨径之间的关系，一般通过试算确定。
图2-5-6 门式刚架桥
[A2-5.9] 2. 建筑材料
对于较小跨径门式刚架桥可采用普通钢筋混凝土结构，当采用封闭式框架结构时，最大跨径可达40 m左右；而对于较大跨径的门式刚架桥则需要在梁体以及边跨端部斜拉杆内设置预应力钢筋。
[A2-5.10] 3. 减小水平推力措施
减小门式刚架桥的水平推力可以采用以下两种方法：
（1）对于小跨径的门式刚架桥，可在铰的外侧加压重（图2-5-7），改变压力线，减小推力。
a——跨间恒载压力线；b——压重压力线；c——合成压力线
图2-5-7 门式刚架桥在铰的外侧加压重（Zeppelin桥）
（2）对于中等跨径的门式刚架桥，在两腿外侧加设很短的悬臂或框架（图2-5-8）。悬臂或框架长约为跨径的1/5（介于1/3～1/7之间），既可消除水平土压力，又可在悬臂末端加恒载压重（框架结构可在框架内填土压重）。
图2-5-8 门式刚架桥在两腿外侧加框架示意图
[A2-5.11] 门式刚架桥的结构构造与设计包括主梁、立柱、节点、支承铰等的一般构造和钢筋构造设计。
[A2-5.12] 1. 主梁与立柱
（1）一般构造
①主梁
单跨门式刚架桥主梁截面形式与梁桥相同，可以设计成板、肋、箱梁等多种形式，如图2-5-9所示。主梁在纵向可以设计成等截面、等高度变截面和变高度截面三种。有时，还可以根据实际需要把主梁设计成不同的截面形式以适应内力变化和方便施工。例如主梁跨中段设计成肋梁，支承段设计成箱梁。变高度主梁的底缘形状可以采用曲线形、折线形、曲线加折线形等，主要根据主梁内力分布情况选定。在下缘转折处，一般均应设置横隔梁，以保证底板的刚度。
图2-5-9 门式刚架桥主梁截面形式
图2-5-10 门式刚架桥立柱形式
一般情况下，门式刚架桥中孔跨中梁高与主孔跨径的比值可取1／30～1／35，而根部梁高与跨中梁高之比一般在1.2～2.5。跨径较大的门式刚架桥由于跨中高度偏小，抗弯刚度也较小，此时如果支承刚度偏小，则主梁的处理相当困难，而采用斜撑和竖撑的组合支承具有较大刚度，可以方便主梁正弯矩区的钢筋布置。
②立柱
立柱有薄壁式和柱式，如图2-5-10所示。柱式又可以分为单柱和多柱，多柱式的柱顶通常都用横梁相连，形成横向框架，以承受侧向作用力。当柱较高时还应在设置横撑将各柱连接起来。立柱的横截面可以设计成实体矩形、I 形或箱形。对于单柱式，截面要与主梁截面相配合，柱的腹板要尽可能与主梁腹板布置一致，以利传力。
[A2-5.13] 2. 节点
单跨刚架桥的节点系指主梁与立柱相连接的部位，又称角隅节点。为保证主梁与立柱连接可靠，角隅节点必须具有强大的刚度。角隅节点和主梁（或立柱）相连接的截面承受很大的负弯矩，因此节点内缘的混凝土会承受很大的压应力，而节点外缘的拉应力则由钢筋承担，于是压力和拉力形成一对巨大的对角压力，对角隅节点产生不利的劈裂作用（图2-5-11）。
图2-5-11 角隅节点受力示意
多跨刚架桥的节点除角隅节点外还有中间节点。该节点也必须具有强大的刚度。
（1）一般构造
对于板式刚架[图2-5-9a）右图]，可在节点内缘或立柱两侧加梗腋（图2-5-12），以改善受力情况，而且可以减少配筋，有利于施工。
a）、b）角隅节点；c）中间节点
图2-5-12 板式刚构节点处梗腋构造示意
对于主梁为肋式的刚架[图2-5-9a）左图]，角隅节点可以采用图2-5-13所示的方法加梗腋：a）仅在桥面板加设梗腋；b）仅在梁肋加设梗腋；c）桥面板和梁肋均加设梗腋。必要时还可在主梁底缘加设底板，使角隅节点附近的主梁成为箱形截面[图2-5-13d）]。对立柱也可照此办理。这样就可大大增加受压区混凝土的面积，从而改善受力。
a）桥面板加设梗腋；b）梁肋加设梗腋；c）桥面板和梁肋均加设梗腋；d）主梁加设底板
图2-5-13 肋式主梁刚架角隅节点处加梗腋（或加底板）示意——图标注
当主梁和立柱都是箱形截面时，角隅节点可以设计成如图2-5-14所示的三种形式：①仅在箱形截面内设置斜隔板[图2-5-14a）]，用以抵抗对角压力最为有效，传力直接，施工简单，但主筋的布置不如图2-5-14b）、c）方便，且斜隔板应有足够的厚度，有时为了使节点有强大的刚度，并简化施工，也可以将角隅节点设计成实体。②设竖隔板和平隔板[图2-5-214d）]，其传力间接，受力情况稍差，但构造和施工较简单；③设平隔板、竖隔板和斜隔板[图2-5-14c）]，节点刚性强，主筋布置也较方便，但施工很麻烦。
图2-5-14 箱形截面刚架角隅节点形式
（2）钢筋构造
采用钢筋混凝土结构时，对已加设梗腋的角隅节点，应设置与梗腋外缘相平行的钢筋，如图2-5-15所示
图2-5-15 角隅和梗腋钢筋
梁的配筋在角隅处不能内弯到立柱中，要求有足够的连续钢筋绕过角隅节点外缘[图2-5-16a）]，否则，外缘混凝土由于受拉而产生裂缝。对于受力较大的节点，在对角力的方向要设置受压钢筋，在和对角力相垂直的方向要设置防劈钢筋。在梁与柱相交处内力复杂，应以构造钢筋进行补强，且立柱主筋应伸入主梁隔板中，如图2-5-16b）所示。
a）角隅节点加强钢筋；b）节点处加强钢筋
图2-5-16 节点加强钢筋设置
[A2-5.14] 3. 支承铰
刚架桥整体刚度较大，中小跨径刚架桥为了减小柱脚底部受力可在柱底设铰，刚架桥的铰构造，按所用材料分有：铅板铰，混凝土铰和钢铰。
（1）铅板铰
铅板铰就是在斜腿底面和基础顶面之间垫一块铅板，铅板中间设置销钉，销钉的上半截伸入支柱内，下部插入基础内，如图2-5-17a）所示，充分利用铅材的易变形来形成铰的转动作用。铅板的承压强度较低，一般仅容许承受100～150 MPa的压应力，其造价高于混凝土铰，桥梁运营养护也比较麻烦。
图2-5-17 铰支承构造
（2）钢铰
由铸钢制成的钢铰同梁桥的弧形钢板固定支座，如图2-5-17b）所示，或拱桥的弧形铰支座，如图2-5-17c）所示。
（3）混凝土铰
混凝土铰是在刚架桥需要设置铰的位置将混凝土截面骤然减小，也称颈缩，使截面的刚度大大降低，可产生结构所需的转动，形成铰的作用。混凝土铰构造简单，不需要长期养护，但是转角较大时容易产生裂缝，目前已较少使用。