浅谈悬臂梁桥和连续梁桥的立面设计

关键词： 桥梁工程；悬臂梁桥；连续梁桥；设计 

　　0 引言 

　　悬臂梁桥指的是以一端或两端向外自由悬出的简支梁作为上部结构主要承重构件的梁桥。悬臂梁桥可分为单悬臂梁桥、双悬臂梁桥、多孔悬臂梁桥、带挂孔的T形悬臂梁桥等多种形式。在工程上最常用的悬臂梁桥是单悬臂梁桥、双悬臂梁桥两种。单悬臂梁是简支梁的一端从支点伸出以支撑一孔吊梁的体系。双悬臂梁是简支梁的两端从支点伸出形成两个悬臂的体系。悬臂梁桥由于支点负弯矩的卸载作用，跨中弯矩大大减小；由于弯矩图面积减小，跨越能力增大；静定结构对地基要求不高；由于跨中有接缝，行车条件不好。两跨或两跨以上连续的梁桥，属于超静定体系。连续梁在恒活载作用下，产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力状态比较均匀合理，因而梁高可以减小，节省材料，且刚度大，整体性好，超载能力大，安全度大，桥面伸缩缝少。续梁桥是中等跨径桥梁中常用的一种桥梁结构，预应力混凝土连续梁桥是其主要结构形式，它具有接缝少、刚度好、行车平顺舒适等优点，在30～120m跨度内常是桥型方案比选的优胜者。悬臂和连续梁桥与简支梁桥相比较，其由于支点处负弯矩的存在，使跨中正弯矩显著减小，所以可以减小主梁的高度，从而可减少材料用量和结构自重，结构自重的降低又可减小恒载内力，这是悬臂和连续梁桥具有更大跨越能力的原因。然而，由于支点处负弯矩的存在，使得梁体的上翼缘受拉，悬臂梁桥和连续梁桥如果采用钢筋混凝土结构，该区段内将不可避免地出现裂缝，雨水容易侵入梁体而影响桥梁的耐久性。所以，悬臂梁桥和连续梁桥较少采用钢筋混凝土结构，而多采用预应力混凝土结构。随着交通运输事业的发展，特别是高等级公路的迅速发展，对行车平顺舒适提出了更高的要求。连续梁桥以其整体好、结构刚度大、变形比较小、抗振性能好、主梁变形挠曲线平缓、伸缩缝少和行车平稳舒适等显著优点而得到迅速发展。尤其是预应力混凝土连续梁桥在60～150m跨径范围得到广泛应用。 

　　1 悬臂梁桥的结构特点 

　　将简支梁的梁体加长，并越过支点就成为悬臂梁，在工程上也称为伸臂梁，习惯把悬臂梁的主跨称为锚跨，而伸出有悬臂的孔跨称为悬臂跨。悬臂体系梁桥一般至少有三孔，除了悬臂梁以外，还可以设置支撑于悬臂梁牛腿上的挂梁，以实现更大的桥梁跨径。单孔双悬臂梁桥的中孔为锚固孔，两侧伸出的悬臂直接与路堤衔接，可以省去两个桥台，但需要在悬臂端部设置钢筋混凝土的桥头搭板，以利于行车舒适。单孔双悬臂梁桥多用于跨线桥，中孔的长度由桥下净空要求确定，我国应用较少，一般采用无桥台斜腿刚构桥替代。带挂梁的三跨单悬臂梁桥，常用于在跨越城市河道的桥梁中，其边孔为锚孔，边跨可以做得比较小。悬臂梁桥一般为静定结构，其内力不受基础不均匀沉降、温度变化等因素的影响。在多孔桥中，在墩上只需要设置一个支座，从而相应地减小了桥墩的尺寸，也节省了基础工程的材料用量。悬臂梁桥尽管在受力上比简支梁合理，可以适应更大跨越能力的需要，但其正弯矩和负弯矩区段范围内往往构造较复杂，给设计和施工均带来很大麻烦。工程实践证明，如果采用钢筋混凝土结构，在负弯矩区段还将不可避免地出现开裂现象，严重影响工程的使用寿命。预应力混凝土悬臂梁桥，虽然可以避免开裂的危险，并可以采用悬臂法施工，但施工中必须采取临时固结措施。由于悬臂梁端与挂梁衔接处的挠曲线会产生不利于行车的折点，在行车舒适方面不如连续梁平顺，但比简支梁稍好一些。除了是静定结构之外，悬臂梁桥的其他优点不太明显，因此应用范围不广。 

　　2 悬臂梁桥的立面布设 

　　2.1 三孔混凝土双悬臂梁桥立面布设：某工程中为三孔混凝土双悬臂梁桥其中孔跨由桥下的行车净空要求确定。当主梁采用T形梁截面时，由于中支点处T形梁下缘的受压面积比较小，所以其悬臂长度不宜过长，一般为中跨长度的0.3～0.4倍。当主梁采用箱形截面时，为了使中跨跨中的最大正弯矩和支座最大负弯矩的绝对值大致相等，以充分发挥材料的受压作用，悬臂长度可适当加大，但最大不能超过中跨长度的0.5倍，尤其是当它用做行车的桥梁时，悬臂过长会使活载挠度增大，跳车现象加剧，使桥与路堤的连接构造遭受破坏。 

　　2.2 跨河悬臂梁桥立面布设：跨河的单孔悬臂梁桥及多孔悬臂梁桥的主孔跨径，在通常情况下决定于桥下通航的净空，或与边孔一起由河床泄洪、地形和地质等条件综合考虑进行选定。当不受上述条件限制时，就可按照梁的弯矩包络图面积为最小的原则，来确定边孔与中孔跨径的划分，以达到节省材料的目的。跨河多跨悬臂梁桥通常设计成中跨跨径相同，两侧边跨跨径稍小的立面布置形式。两个悬臂一般设计成相同的尺寸，其挂梁的高度约为长度的1/21～1/20。在特殊情况下，如果需要进一步减小锚孔的跨径时，应考虑活载作用在中孔时锚孔边支点可能出现负反力的情况，为此应采取加设平衡重物或设置拉力支座等特殊措施。在一般情况下，当跨径超过50～60m时，由于钢筋混凝土悬臂梁桥已不再适用，往往要采用预应力混凝土结构。这两种悬臂梁桥在立面布置上的主要差别在于：预应力混凝土悬臂梁桥的悬臂长度可以更长，并且由于预应力混凝土全截面受力，其梁高也可以更低些。 　　3 连续体系梁桥的立面布设 

　　连续梁桥的分类方法很多。按照桥梁跨径的相互关系来分，有等跨连续梁和不等跨连续梁；按照下部结构的支撑形式来分，有普通的单式桥墩、V形桥墩和双薄壁柱式桥墩；按照受力钢筋来分，有预应力混凝土连续梁和钢筋混凝土连续梁；按照桥梁的梁高来分，有等截面连续梁和变截面连续梁。在设计中最常用的是按等截面连续梁和变截面连续梁分类。根据我国已建连续梁桥的资料分析，连续梁桥支点和跨中梁高与跨径的关系在具体设计中，还要根据边跨与中跨比例、荷载等级等因素通过方案分析比较确定。在大跨径预应力混凝土连续梁桥中，除截面高度变化外，还可将截面的底板、顶板和腹板做成变厚度，以满足主梁各截面的不同受力要求。 

　　3.1 等截面连续梁桥：超静定结构的连续梁在恒载和活载的作用下，支点截面的负弯矩一般比跨中截面的正弯矩大。但是，当跨径在40～60m时，两者的差值不是很大，可以考虑采用等截面的形式。工程实践证明，等截面连续梁桥的构造简单、设计和施工方便。尤其适用于有支架施工、逐孔架设施工、移动模架施工及顶推法施工的中等跨径连续梁桥。但是，由于主梁的支点截面无法通过加大梁高来抵抗较大的负弯矩，而只能通过增加预应力束筋加以解决，从而增加了钢材的用量，使其经济性较差。等截面连续梁桥可以选用等跨和不等跨两种布置形式。等跨布置的跨径大小，主要取决于经济分孔和施工的设备条件，其高跨比一般为1/25～1/15。在采用顶推法施工的等截面连续梁桥中，需要考虑顶推施工时对结构的附加受力要求，与施工时是否设置临时墩等措施有关。当标准跨径比较大时，为减小边跨的正弯矩，或标准跨径不能满足桥下通航或交通要求时，也可将边跨跨径取小于中跨的结构布置，一般边跨与中跨之比在0.6～0.8。 

　　3.2 变截面连续梁桥：当连续梁的跨径接近或大于 

　　70m时，在恒载和活载的共同作用下，支点截面将出现较大的负弯矩。从绝对值来看，支点截面的负弯矩往往远大于跨中截面的正弯矩。因此，采用加大支点高度的变截面梁，才能更好地适应结构的内力分布规律。这种变截面的措施既对恒载引起的截面内力影响较小，也不会妨碍桥下通航的净空要求，并且还能满足支点处较大剪力的要求。同时，变截面的立面布置使结构外形和谐、美观。采用变截面布置尤其适合于悬臂法施工，施工阶段主梁的刚度大，且与施工内力相吻合。结构力学计算表明，当连续梁的支点高度增大时，跨中弯矩也会随之降低，从而会降低跨中截面对梁高的要求。变截面梁的横断面曲线，一般可采用圆弧线、二次抛物线或折线等。由于二次抛物线的变化规律与连续梁的弯矩变化规律基本接近，所以通常以二次抛物线为最常用。采用折线形截面变化布置，可以使连续梁构造简单、施工方便，常用于中小跨径的连续梁桥。变截面形式的大跨径预应力混凝土梁桥，立面一般采用从中孔向两侧逐孔减小的奇数孔布置；对多于三跨的连续梁桥，除了边跨之外，其中间的各跨也可以采用等跨布置，以方便采用悬臂法施工。如果边跨过长会削弱边跨的刚度，将增大活载在中跨跨中的变化幅值，增加预应力束筋的数量，从而提高工程造价。所以，边跨一般取中跨长度的0.6～0.8倍。有时为了满足城市桥梁或跨线桥的交通要求而需增大中跨跨径时，可将边跨跨径设计成仅为中跨长度的0．5倍以下。在此情况下，端支座可能会出现较大的负反力，所以必须在端支座处设置能抵抗拉力的支座或边梁压重等措施来加以解决。在进行连续梁桥立面布置时，还应当特别注意：连续超过五跨时的应力情况与五跨时相差不大，并且连续过长会增大温度变化的附加影响，造成梁端的伸缩量很大，需要设置大位移量的伸缩缝，因此连续梁桥的孔数一般不超过五跨。当需要修建很多孔连续梁时，通常可按3～7孔为一联，采用分联布置的方式，联与联的衔接处，通过两排支座支撑在一个桥墩上。 

　　4 结束语 

　　工程实践证明，简支梁桥具有构造简单、预制方便、安装容易等特点，在桥梁建设中得到广泛应用。然而，随着桥梁跨径的逐渐增大，简支体系桥梁的跨中弯矩和活载弯矩迅速增大，致使梁的截面尺寸和自重显然增加，这样不但因材料用量大而工程造价高，而且给构件制作、运输、吊装和安装造成很大困难。因此，对于悬臂和连续体系梁桥的设计，必须引起足够的重视。 

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