斜腿剛構(gòu)橋橋梁優(yōu)化

斜腿剛構(gòu)橋分類

從結(jié)構(gòu)分析方法來說，有靜力優(yōu)化和動(dòng)力優(yōu)化。靜力優(yōu)化是在靜力荷載作 用下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，建立重量、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定等方面的目標(biāo)函數(shù)或約束條件，采用合適的優(yōu)化方法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；動(dòng)力優(yōu)化是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，建立關(guān)于結(jié)構(gòu)固有特性(周期、頻率等)或動(dòng)力反應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)或約 束條件進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從優(yōu)化方法來講，有準(zhǔn)則法和規(guī)劃法。準(zhǔn)則法是通過力學(xué)概念或工程經(jīng)驗(yàn)建立符合條件的優(yōu)化準(zhǔn)則，這種方法物理意義明確，方法相對(duì)簡(jiǎn)單，收斂速度快；規(guī)劃法是以數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為基礎(chǔ)的，適應(yīng)面廣，收斂性好，但速度慢。后 一種方法更為常用。

斜腿剛構(gòu)橋主要內(nèi)容

(1)截面優(yōu)化。這是橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)布局和材料一定時(shí)，預(yù)先確定優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)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(jié)構(gòu)最優(yōu)化、最合理的截面。截面優(yōu)化的優(yōu)化目標(biāo)一般都為重量最輕或造價(jià)最低。

(2)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化。主要有幾何優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，其中每項(xiàng)都包含截面優(yōu)化的內(nèi)容。幾何優(yōu)化是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)各結(jié)點(diǎn)在空間中的位置，尋求最合理的結(jié)構(gòu)布局，使結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。幾何優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)一般也均為結(jié)構(gòu)總重量。可進(jìn)行幾何優(yōu)化的橋梁型式主要有斜腿剮構(gòu)橋、桁架、鋼管拱、桁架拱等幾種。拓?fù)鋬?yōu)化是在不退化為機(jī)構(gòu)的條件下，通過增加或去掉某些構(gòu)件，尋求最合理、 最經(jīng)濟(jì)的連接形式，桁架類橋可進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。 2100433B

復(fù)雜性

大跨度拱橋地震反應(yīng)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(xì)部結(jié)構(gòu)，其地震反應(yīng)往往是由高階振型的貢獻(xiàn)起控制作用的。

(2)多點(diǎn)不同步激勵(lì)和豎向地震動(dòng)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(yīng)中，多點(diǎn)不同步激勵(lì)的影響是最受關(guān)注的，它將產(chǎn)生由于拱腳相對(duì)位移引起的擬靜力作用以及激發(fā)起對(duì)稱振型對(duì)地震反應(yīng)的貢獻(xiàn)，從而使地震反應(yīng)增大。增大的程度與地震輸入特性，結(jié)構(gòu)本身的剛度、動(dòng)力特性等因 素有關(guān)。當(dāng)橋的剛度較大時(shí)，擬靜力反應(yīng)起控制作用；而結(jié)構(gòu)柔性的增加，對(duì)稱振型的貢獻(xiàn)將起主導(dǎo)作用。另外，考慮豎向地震動(dòng)的作用，一般也會(huì)使橋梁的地震反應(yīng)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(duì)于主梁，墩梁固結(jié)處的主梁根部反應(yīng)比跨中大。

二、在橫向地震作用下，主梁跨中反應(yīng)比根部大。因此，在斜腿剛構(gòu)橋梁抗震設(shè)計(jì)中，地震反應(yīng)的控制截面在斜腿頂部、主梁根部和跨中截面。

一、溫度變化對(duì)于結(jié)構(gòu)受力的影響：

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在太陽照射和氣溫變化等環(huán)境影響因素下，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)引起隨時(shí)問變化的非線性溫度分布，將會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度位移。對(duì)于上部主梁和斜腿固接的多次超靜定的斜腿剛構(gòu)橋，因溫度變化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算有很大的影響。隨著溫度變化度數(shù)的增大，結(jié)構(gòu)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(chǔ)變位對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響：

斜腿剛構(gòu)橋因同時(shí)兼具梁式剛構(gòu)和拱的特性，墩臺(tái)的沉降或者強(qiáng)制位移在結(jié)構(gòu)內(nèi)部均會(huì)引起結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，墩臺(tái)的變位值理論上是可以通過橋位處的地質(zhì)情況計(jì)算出來的，但實(shí)際橋位處的地質(zhì)情況又很難確定和水文的隨時(shí)間的變化性，那么基礎(chǔ)變位值就很難確定了。隨著基礎(chǔ)變位(水平和豎直)數(shù)值的增大，結(jié)構(gòu)主要斷面的彎矩值亦增 大，豎向變位對(duì)中跨支點(diǎn)的內(nèi)力影響較大，斜腿頂端對(duì)水平變位更敏感。

三、斜腿不同支撐(固接、鉸接)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響：

支點(diǎn)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(shí)，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)增多，結(jié)構(gòu)整體性和剛度均增大。溫度和基礎(chǔ)變位對(duì)結(jié)構(gòu)后期運(yùn)營(yíng)階段有很大的影響。邊跨跨中和中跨支點(diǎn)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(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(jié)構(gòu)的受力更合理。

斜腿剛構(gòu)的整體性非常好，尤其是采用整體現(xiàn)澆的混凝土結(jié)構(gòu)。斜腿將梁體傳來的力有效地傳給基礎(chǔ)，同時(shí)為主梁提供一定的剛度貢獻(xiàn)，且由于斜腿的設(shè)置，使主梁中跨承受軸向壓力。強(qiáng)大的隅節(jié)點(diǎn)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(gòu)的主梁可看做一個(gè)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(gòu)橋由于受力和外型特點(diǎn)，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(dú)特的特點(diǎn)：

(1)截面相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)較輕型。由于斜腿的設(shè)置，主梁獲得了較大的“免費(fèi)預(yù)應(yīng)力”，截面可做的較小。

(2)跨越能力大。通過斜腿的設(shè)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(jié)構(gòu)性能好。從各國(guó)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(diǎn)。

(4)橋面連續(xù)，司乘條件好。需要時(shí)，可采用斜腿剛構(gòu)連續(xù)梁橋，增長(zhǎng)橋面連續(xù)長(zhǎng)度。

(5)施工較簡(jiǎn)便?？刹捎美|索吊裝、懸臂施工、設(shè)備較簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)體施工等。 修建同等跨度橋梁，施工比拱橋簡(jiǎn)單，用材比簡(jiǎn)支梁橋省。

(6)造型輕巧美觀。線條簡(jiǎn)潔明快，橋下通視好；預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)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(xué)設(shè)計(jì)的呼聲中，斜腿剛構(gòu)橋正成為城市修建橋梁的首選橋型之一。

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

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

斜腿剛構(gòu)橋采用斜腿與主梁固結(jié)的型式來支撐橋梁結(jié)構(gòu)，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(yù)壓應(yīng)力，從而減小主梁截面高度和預(yù)應(yīng)力鋼束用量，所以梁腿固結(jié)這種型式不但能改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況，還能節(jié)省工程材料。斜腿剛構(gòu)橋主梁的正彎矩與簡(jiǎn)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(shè)置。該橋型用較小的主梁跨度跨越其它線路，當(dāng)應(yīng)用在公路和通航的河流上時(shí)，能夠提高通車和通航能力；當(dāng)應(yīng)用在山區(qū)峽谷等復(fù)雜地形時(shí)，能夠減小施工難度。

這類橋型因其具有呈水平向的梁式構(gòu)件和斜向支承構(gòu)件而在力學(xué)行為上兼具梁式剛構(gòu)特性(構(gòu)件受彎并按剛度比例分配其值大小)和拱的特性(構(gòu)件偏心受壓)，且在橋型構(gòu)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?gòu)件，橋梁上下部各構(gòu)件相互固結(jié)形成堅(jiān)固幾何形態(tài)的體結(jié)構(gòu)，共同抵抗外荷載。與直腿剛構(gòu)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(fèi)的預(yù)應(yīng)力，大大削弱了組成構(gòu)件的內(nèi)力峰值而使構(gòu)中變得輕巧和纖細(xì)。斜腿剛構(gòu)橋以其外形勻稱、平衡性好、墩位合理、抗風(fēng)性強(qiáng)、可利用懸臂施工等優(yōu)勢(shì)，有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力。尤其在跨越山谷、修建立交橋時(shí)更為適用。

剛架拱橋是在雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋和斜腿剛構(gòu)橋等基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)拱橋特點(diǎn)及無支架施工經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的新橋型。

剛架拱橋的上部結(jié)構(gòu)是由拱腿與實(shí)腹段合龍后組成裸肋，在裸肋的基礎(chǔ)上架弦桿及斜撐形成剛架拱片；在剛架拱片之間設(shè)置橫系梁；安裝預(yù)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(jié)構(gòu)。它具有桿件少、整體性好、自重輕、施工簡(jiǎn)便、材料省、對(duì)地基承載力要求比其他拱橋低、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，因此已在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。