第三节 斜腿刚架桥构造与设计
第三节 斜腿刚架桥构造与设计
[A2-5.15]1. 结构形式
斜腿刚架桥在构造上可分为单跨斜腿刚架桥[图2-5-18a）]和双悬臂斜腿刚架桥[图2-5-18b）]。双悬臂斜腿刚架桥的两端具有较长的伸臂长度，通过调整边、中跨比，可以使两端支座成为单向受压铰支座而不致向上翘起，从而改善了行车条件。在斜腿与主梁刚接处一般设置横隔板以改善受力，钢筋密集，构造复杂。斜腿下端的铰支座一般坐落在岸边坚硬岩石上或者桥台上，不会被水淹没或者被土堤掩埋，故在施工和养护上都比门式刚架桥简单，但斜腿刚架桥在施工中需经历受力体系转换。为了减小斜腿负弯矩峰值，可将桥墩做成V形墩形式而成为V形墩刚构桥（图2-5-19），这是一种连续刚构桥，具有连续刚构桥和多跨斜腿刚架桥的受力特性和共有的优点，但V形墩刚构桥施工时需要在V形顶部设置临时拉杆，并进行体系转换。
图2-5-18 斜腿刚架桥
图2-5-19 V形墩刚构桥
[A2-5.16]2. 建筑材料
斜腿刚架桥造型美观，施工比拱桥简单，因此在中等跨径桥梁中有较强的竞争能力。常建造在跨越深谷地带、或其他线路（公路或铁路）的立交桥上。小跨径斜腿刚架桥采用钢筋混凝土结构；中等跨径采用预应力混凝土结构；大跨径采用钢结构（图2-5-20），但应用并不普遍。
图2-5-20 安康石庙沟汉江铁路大桥
[A2-5.17]3. 孔跨布置
斜腿刚架桥的结构布置分为无桥台斜腿刚架桥和有桥台斜腿刚架桥。
（1）无桥台斜腿刚架桥
无桥台斜腿刚架桥采用斜杆代替两端的桥台设计，在路堤较高或地基覆盖层较厚而需大体积桥台时，釆用较薄的斜拉杆代替桥台以节省混凝土用量，如图2-5-21所示。以斜拉杆与副孔端部和斜腿基础固结形成稳固的三角形结构，对副孔端部形成约束，以满足使用要求。当斜腿与主孔形成压力时，因副孔端部被约束将产生拉力，使边主梁形成拉弯构件，对副孔造成不利，因此副孔跨径受到了限制。同时斜腿倾角变化对副孔和主孔的轴力影响较大，如斜腿倾角越小（越坦）则主孔压力越大（对主孔有利），副孔拉力越大（对副孔不利）；反之斜腿倾角越大（越陡）则主孔压力越小（对主孔不利），副孔拉力越小（对副孔有利）。
图2-5-21 无桥台斜腿刚架桥
无桥台斜腿刚架桥受力模式类似于三跨连续梁。通常也是按照边跨（副孔）与中跨（主孔）最大弯矩趋于相等的原则来确定，使边跨与中跨的梁高与配筋协调一致，即主梁弯矩分布规律基本相同。当主孔采用装配式钢筋混凝土T形截面时，主孔正弯矩区段一般为0.65 L2。例如，当梁肋宽b=20 cm左右时，其主孔跨径正弯矩区段—般不超过25 m，主孔最大跨径可近似估算：L2max=25/0.65=38.50 m，可近似取L2max=40 m，若增大跨径，虽然刚度可以满足要求，但裂缝宽度可能超过规范规定的限值；若增大梁肋厚度，则自重加大导致弯矩增大（对结构受力不利），因此，当梁肋宽度b=30～65 cm时，可近似取L2max=35 m左右。对于无桥台斜腿刚构桥的副孔，分跨比一般为0.5～0.6左右，副孔正弯矩区段一般为0.80 L1，梁肋宽一般为b=30～65 cm，副孔最大跨径可近似估算：L1max=35×0.5/0.80=21.875 m，考虑到副孔有一定的轴向拉力，所以副孔最大跨径可近似取L1max=20 m。
（2）有桥台斜腿刚架桥
有桥台斜腿刚架桥是无斜拉杆的，如图2-5-22所示。通过对有桥台斜腿刚架桥主孔跨径L2、副孔跨径L1、斜腿倾角a进行优化比较后，得出L1/L2是影响斜腿内力的主要因索，一般为0.6左右；而a只对轴力影响较大，一般为35°～45°。
图2-5-22 洪门大桥构造示例（尺寸单位：cm）
[A2-5.18]1. 主梁一般构造
（1）梁高
在梁高不受限制时，若减小梁高，混凝土用量降低，钢材用量增加；若增大梁高，钢材用量减少，混凝土用量增加。所以，应根据具体情况分析判别，寻求“经济梁高”，即要求其总造价为最低时的梁高。
斜腿刚架桥主梁一般采用变截面梁高，当主孔的L0在25 m以下时，梁底可设计成折线形，使得构造简单，施工方便；当L0大于25 m时，梁底宜设计成曲线形或“曲线+折线”形。曲线形通常采用二次抛物线或圆曲线，比较美观。
参照连续梁的高跨比，连续梁主孔跨中梁高通常取H0=（1/22～1/28）L2。考虑到斜腿刚架桥主孔中有轴向压力，与受弯构件相比可节省钢筋数量，故主孔跨中梁高可取偏低值，建议H0=（1/25～1/35）L2。对于副孔，虽然其跨径比主孔小，但为拉弯构件，且考虑到协调美观及梁底纵向钢筋布设方便，其跨中梁高采用与主孔相等的跨中梁高，其端支点负弯矩很小，从跨中至端支点均采用相同梁高。对于斜腿支承处的主梁，因承受较大的负弯矩和剪力，其梁高一般取用跨中梁高的1.5～2.0倍。
（2）截面、隔板及梁端的设计
刚架桥主梁截面随着跨径的增加，依次采用板式、肋式、箱形截面，如图2-5-23所示。纵桥向通常设计成等截面、等高度变截面、变高度截面等形式，以适应主梁内力的变化。其中，变高度主梁底部线形可以是曲线形、折线形、曲线加直线形等，具体形式应根据主梁内力分布情况，按截面等强度的原则确定。
图2-5-23 斜腿刚架桥主梁截面形式
图2-5-23a）、b）为板式截面，其节点处应在内侧加梗腋，以改善内缘受力，且可减少配筋，方便施工。节点外缘钢筋需绕过角隅之后方可锚固。
图2-5-23c）、d）为肋式截面，其节点处增设梗腋的方式亦有三种，同门式刚架桥。
图2-5-23e）、f）为箱形截面，此时的立柱通常亦为箱形截面。在其箱形梁内节点的处理也有三种形式，同门式刚架桥。柱式腿可固定在横隔梁下的承托上；箱形截面立柱可深入梁内作为横隔梁；薄壁式斜腿固结在设有横隔梁处的主梁下缘。
斜腿刚架桥悬臂较长，必须设支座，但V形墩刚构桥可以用搭板与轻型桥台相衔接。
斜腿与主梁固结，斜腿上端横向宽可与T梁梁肋或箱形梁底板同宽，一般比梁肋或底板宽略小为宜，便于斜腿主筋伸入主梁。
对于矮肋式截面和箱形截面，斜腿宜设计为上端宽、下端窄的形式，符合弯矩上大下小的力学原理，以节约混凝土用量，同时造型轻巧美观，坚实稳重。对于T形截面，斜腿上下端横向可设计为相同宽度，当斜腿高度超过10m时，可在斜腿中部增设一道横系梁，以减小柱的长细比，增强其纵横向稳定性；当T梁片数较多时，可采用宽斜腿方案，即1片斜腿支承2片T梁，斜腿设计成上宽下窄的形式。
从截面抗弯性能要求，一般宜尽量减薄腹板厚度，增大主梁高度，以减轻自重并获得较大的截面抗弯惯性矩。对无桥台斜腿刚架桥的主梁，由于要承受正、负弯矩，要求横截面上下缘部分均要提供足够的承压面积，这对于板式（含矮肋式）和箱形截面均能满足要求。对于T形截面，与斜腿固结处的主梁有较大的负弯矩和剪力，从满足承担负弯矩和抗剪截面最小尺寸要求，梁肋宽度均不能过小，采用现场浇筑施工时，为便于绑扎钢筋及浇筑混凝土，梁肋宽度—般不小于25～35 cm，跨径较大时可采用50～60 cm；为减轻自重，主梁间距可偏大取用，一般为2.0～3.0 m（但要设置承托）。对于宽桥，横坡可通过各主梁高差形成，以减轻桥面铺装自重。
[A2-5.19]2. 斜腿一般构造
（1）斜腿倾角
斜腿倾角一般取为α=35°～45°。斜腿倾角的变化对主梁弯矩和剪力的影响小，对轴力影响大。斜腿越坦，主孔中轴力越大（对主孔受力有利），但在副孔中拉力也相应增大（对副孔受力不利）。边斜杆埋入路堑边坡，与边坡同坡度取用α=45°。由于斜腿及边斜杆轴力较大，弯矩较小，其截面高度比主梁高度可相应减小。但对于高斜腿，若截面尺寸过小，纵、横向稳定性难以满足，或其配筋率过大而不经济。
（2）斜腿截面
如图2-5-24所示，通常边斜杆设计成等高度，C=（0.4～0.8）H0（H0为主孔跨中梁高）；斜腿下端H2=（0.4～0.8）H0。斜腿下端弯矩小于上端，一般H1=（1.2～1.5）H2，这样也使整个桥型显得轻巧美观。对于主梁为T梁的情况，当采用一片斜腿支承一片主梁，并且斜腿较长时（称为肋式高斜腿），拟定截面尺寸应考虑稳定性问题，截面高度一般要比上述截面大一些，具体由计算确定。
图2-5-24 斜杆截面示意
（3）斜腿的支承方式
斜腿刚架桥的斜腿可以采用固结支承和铰接支承两种方式。采用固结支承时，在计算中不考虑基础的转动，但要保证基础的刚性，例如，图2-5-25a）的形式比图2-5-25b）的形式好。通常情况下将斜腿与基础之间设计为铰支承，根据力的传递大小，分为真铰和假铰。当假铰的面积较大时，还存在由于转动导致一定的抵抗弯矩，但是一般情况下可当真铰计算。拫据所采用的材料也为铅板铰、钢铰和混凝土铰，参照门式刚架桥支承铰相关内容。
图2-5-25 固定支承
[A2-5.20]3. 横系梁及牛腿设置
横系梁可使各片主梁连接成整体，共同承受荷载的作用。对于无桥台斜腿刚架桥，边斜杆及斜腿上端与主梁固结，固结处有较大的支承反力，且受力复杂。所以无论是矮肋式T形截面，还是箱形截面，在固结处都必须设置横系梁。T形截面梁沿横向抗弯刚度较低，而主孔部分为偏心受压构件，在主梁中有较大的轴向压力，为了防止其横向失稳，跨中一般要设置横系梁；当主孔跨径较大时，需在主孔1／4处增设横系梁。副孔虽为拉弯构件，但由于T梁间距较大（一般为2.0～3.0 m），为了改善受力状态，一般也在副孔跨中增设一道横系梁，仅当副孔跨径较小时（4.0～6.0 m）可不设。对于箱形截面，由于抗弯刚度（纵横向）和抗扭能力均较大，故在主孔、副孔跨中可不设横系梁。
对于边斜杆上端的端横梁，由于设置搭板与路堤衔接，可设计成牛腿形式；对于跨中设铰的情况，设铰处的横梁也设计成牛腿形式；对于肋式高斜腿，为增强横向稳定性，需设置横系梁；对于宽斜腿，可不必设置；但应注意斜杆端横梁与路堤在横向不能产生横桥向位移。
主梁横系梁可设计成与主梁同高或3／4主梁高度。当主梁为T形截面、主梁间距为2.0～3.0 m、肋宽大于25～30 cm时，横系梁肋宽不小于25 cm，跨中一般为25～30 cm，斜腿固结处及牛腿端横梁一般为40～60 cm，以加强固结处的刚度。对于肋式斜腿，横系梁可设计成25～30 cm的矩形截面。
[A2-5.20]4. 钢筋构造
（1）普通钢筋
对于小跨径斜腿刚架桥，可设计成普通钢筋混凝土结构，斜腿设计成小偏心受压构件，可不设置弯起钢筋。
（2）预应力钢筋
中等跨径斜腿刚架桥需要在主梁配置预应力钢筋，配束方式与连续刚构桥相似。预应力钢束在根部承受负弯矩，在跨中承受正弯矩，大多采用直线形式布置。图2-5-26为某跨线斜腿刚架桥主梁预应力钢束构造示例。
图2-5-26 斜腿刚架桥主梁预应力钢束构造示例（尺寸单位：cm）
由于斜腿刚架桥可变作用的弯矩在永久作用和可变作用总弯矩中所占比例较大，而可变作用轴向力所占比重较小，需要承受正负弯矩的截面较多，主梁绝大多数截面上下缘均需配置预应力钢筋，斜腿通常也应对称配筋。