斜腿剛構橋力學特性分析

一、溫度變化對于結構受力的影響：

混凝土橋梁結構在太陽照射和氣溫變化等環(huán)境影響因素下，在結構內(nèi)部會引起隨時問變化的非線性溫度分布，將會產(chǎn)生溫度應力和溫度位移。對于上部主梁和斜腿固接的多次超靜定的斜腿剛構橋，因溫度變化產(chǎn)生的結構內(nèi)力對整個結構的驗算有很大的影響。隨著溫度變化度數(shù)的增大，結構主要斷面的彎矩值均不斷增大，斜腿頂端的內(nèi)力值變化最大。

二、基礎變位對結構內(nèi)力的影響：

斜腿剛構橋因同時兼具梁式剛構和拱的特性，墩臺的沉降或者強制位移在結構內(nèi)部均會引起結構次內(nèi)力，墩臺的變位值理論上是可以通過橋位處的地質(zhì)情況計算出來的，但實際橋位處的地質(zhì)情況又很難確定和水文的隨時間的變化性，那么基礎變位值就很難確定了。隨著基礎變位(水平和豎直)數(shù)值的增大，結構主要斷面的彎矩值亦增 大，豎向變位對中跨支點的內(nèi)力影響較大，斜腿頂端對水平變位更敏感。

三、斜腿不同支撐(固接、鉸接)對結構內(nèi)力影響：

支點鉸接下的斜腿可以做成上大下小的變截面形式，增加視覺和美觀效果；斜腿固接時，結構超靜定次數(shù)增多，結構整體性和剛度均增大。溫度和基礎變位對結構后期運營階段有很大的影響。邊跨跨中和中跨支點處由恒載引起的彎矩在斜腿鉸接情況相比固接情況下較大，中跨跨中和斜腿頂端處較?。?斜腿固接情況下溫度對整個結構的影響相比鉸接情況下增大更為明顯；斜腿鉸接情況下中跨支點彎矩比固接下小，斜腿頂端的彎矩大。斜腿的支撐情況必須合理選擇，使結構的受力更合理。

斜腿剛構的整體性非常好，尤其是采用整體現(xiàn)澆的混凝土結構。斜腿將梁體傳來的力有效地傳給基礎，同時為主梁提供一定的剛度貢獻，且由于斜腿的設置，使主梁中跨承受軸向壓力。強大的隅節(jié)點連接著主梁與斜腿，使兩者相互制約、相互影響，共同工作。斜腿剛構的主梁可看做一個連續(xù)梁，但主要截面的彎距均比同樣跨度的連續(xù)梁要小。

斜腿剛構橋由于受力和外型特點，特別適合在跨越河谷、線路且兩岸地質(zhì)條件良好的條件下修建。這種橋型還具有很多獨特的特點：

(1)截面相對較小，結構較輕型。由于斜腿的設置，主梁獲得了較大的“免費預應力”，截面可做的較小。

(2)跨越能力大。通過斜腿的設置，可用較小的主梁跨度獲得較大的跨越能力，特適合于城市跨線立交和深山、峽谷、水深流急地區(qū)修建。

(3)結構性能好。從各國已建橋梁來看，該橋型具有縱向、豎向剛度大，抗裂性和抗震性都比較好的特點。

(4)橋面連續(xù)，司乘條件好。需要時，可采用斜腿剛構連續(xù)梁橋，增長橋面連續(xù)長度。

(5)施工較簡便。可采用纜索吊裝、懸臂施工、設備較簡單的轉(zhuǎn)體施工等。 修建同等跨度橋梁，施工比拱橋簡單，用材比簡支梁橋省。

(6)造型輕巧美觀。線條簡潔明快，橋下通視好；預應力混凝土斜腿剛構橋的梁底呈曲線布置，具有類似拱橋的形狀，頗帶有民族色彩。在提倡橋梁的美學設計的呼聲中，斜腿剛構橋正成為城市修建橋梁的首選橋型之一。

斜腿剛構橋是剛構橋的一種，它與三跨連續(xù)剛構橋的不同之處是：三跨連續(xù)剛構橋與主梁固結的橋墩與水平面垂直，而斜腿剛構橋與主梁固結的橋墩與水平 面的夾角為銳角。

對比直腿剛構橋，斜腿剛構橋能縮短主梁的跨度，為中跨提供預壓應力，從而削弱構件的內(nèi)力峰值，使橋梁變得輕巧和纖細。斜腿剛構橋?qū)偃纬o定結構，具有斜向支撐構件和水平向梁式構件，構件受彎并按照剛度的大小分配彎矩，具有剛構梁的特性；構件偏心受壓，又具備拱的特性。

斜腿剛構橋采用斜腿與主梁固結的型式來支撐橋梁結構，斜腿底部受到了較大的水平力作用，主跨主梁承受了較大的軸向壓力，可以為中跨主梁提供預壓應力，從而減小主梁截面高度和預應力鋼束用量，所以梁腿固結這種型式不但能改善橋梁結構的受力狀況，還能節(jié)省工程材料。斜腿剛構橋主梁的正彎矩與簡支梁相比較小，具有更大的跨越能力，在特殊的路段可以避免中墩的設置。該橋型用較小的主梁跨度跨越其它線路，當應用在公路和通航的河流上時，能夠提高通車和通航能力；當應用在山區(qū)峽谷等復雜地形時，能夠減小施工難度。

這類橋型因其具有呈水平向的梁式構件和斜向支承構件而在力學行為上兼具梁式剛構特性(構件受彎并按剛度比例分配其值大小)和拱的特性(構件偏心受壓)，且在橋型構件的組成上使受力較大的區(qū)域(跨中附近)產(chǎn)生壓力而變?yōu)槠氖軌簶嫾瑯蛄荷舷虏扛鳂嫾嗷ス探Y形成堅固幾何形態(tài)的體結構，共同抵抗外荷載。與直腿剛構橋相比，斜腿的作用使主梁跨度明顯縮短，并為中跨梁提供免費的預應力，大大削弱了組成構件的內(nèi)力峰值而使構中變得輕巧和纖細。斜腿剛構橋以其外形勻稱、平衡性好、墩位合理、抗風性強、可利用懸臂施工等優(yōu)勢，有較強競爭能力。尤其在跨越山谷、修建立交橋時更為適用。

復雜性

大跨度拱橋地震反應的復雜性主要表現(xiàn)在兩個方面：

(1)高階振型的影響不可忽略。在地震中較易受破壞的細部結構，其地震反應往往是由高階振型的貢獻起控制作用的。

(2)多點不同步激勵和豎向地震動的影響不可忽略。拱橋是多次超靜定體系，在大跨度拱橋的地震反應中，多點不同步激勵的影響是最受關注的，它將產(chǎn)生由于拱腳相對位移引起的擬靜力作用以及激發(fā)起對稱振型對地震反應的貢獻，從而使地震反應增大。增大的程度與地震輸入特性，結構本身的剛度、動力特性等因 素有關。當橋的剛度較大時，擬靜力反應起控制作用；而結構柔性的增加，對稱振型的貢獻將起主導作用。另外，考慮豎向地震動的作用，一般也會使橋梁的地震反應有較大增加。

橫向與縱向地震分析

一、在縱向地震荷載作用下，對于主梁，墩梁固結處的主梁根部反應比跨中大。

二、在橫向地震作用下，主梁跨中反應比根部大。因此，在斜腿剛構橋梁抗震設計中，地震反應的控制截面在斜腿頂部、主梁根部和跨中截面。

斜腿剛構橋分類

從結構分析方法來說，有靜力優(yōu)化和動力優(yōu)化。靜力優(yōu)化是在靜力荷載作 用下對結構進行靜力分析，建立重量、剛度、強度、穩(wěn)定等方面的目標函數(shù)或約束條件，采用合適的優(yōu)化方法，對結構進行優(yōu)化設計；動力優(yōu)化是對結構進行動力分析，建立關于結構固有特性(周期、頻率等)或動力反應的目標函數(shù)或約 束條件進行的優(yōu)化設計。

從優(yōu)化方法來講，有準則法和規(guī)劃法。準則法是通過力學概念或工程經(jīng)驗建立符合條件的優(yōu)化準則，這種方法物理意義明確，方法相對簡單，收斂速度快；規(guī)劃法是以數(shù)學規(guī)劃理論為基礎的，適應面廣，收斂性好，但速度慢。后 一種方法更為常用。

斜腿剛構橋主要內(nèi)容

(1)截面優(yōu)化。這是橋梁結構優(yōu)化設計的基本內(nèi)容，包括截面形式、截面特性(面積、慣性距)和截面尺寸的優(yōu)化，是結構布局和材料一定時，預先確定優(yōu)化目標，建立目標函數(shù)，在某種荷載組合作用下，且滿足一定的約束條件，尋求結構最優(yōu)化、最合理的截面。截面優(yōu)化的優(yōu)化目標一般都為重量最輕或造價最低。

(2)結構布局優(yōu)化。主要有幾何優(yōu)化和拓撲優(yōu)化，其中每項都包含截面優(yōu)化的內(nèi)容。幾何優(yōu)化是通過調(diào)整結構各結點在空間中的位置，尋求最合理的結構布局，使結構性能最優(yōu)。幾何優(yōu)化的目標函數(shù)一般也均為結構總重量?？蛇M行幾何優(yōu)化的橋梁型式主要有斜腿剮構橋、桁架、鋼管拱、桁架拱等幾種。拓撲優(yōu)化是在不退化為機構的條件下，通過增加或去掉某些構件，尋求最合理、 最經(jīng)濟的連接形式，桁架類橋可進行拓撲優(yōu)化。 2100433B

剛架拱橋是在雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋和斜腿剛構橋等基礎上，結合我國拱橋特點及無支架施工經(jīng)驗而發(fā)展起來的新橋型。

剛架拱橋的上部結構是由拱腿與實腹段合龍后組成裸肋，在裸肋的基礎上架弦桿及斜撐形成剛架拱片；在剛架拱片之間設置橫系梁；安裝預制的肋腋板(或微彎板)和懸臂板，現(xiàn)澆混凝土填平層和橋面鋪裝組合而成。

剛架拱橋?qū)儆谟型屏Φ母叽纬o定結構。它具有桿件少、整體性好、自重輕、施工簡便、材料省、對地基承載力要求比其他拱橋低、造型美觀等優(yōu)點，因此已在我國得到廣泛的應用。