关于连续刚构桥的初步设计
摘 要: 随着社会经济的发展，修建大量的高等级公路已是时代发展的必然要求，高等级公路对于路线的线形指标有着较高的要求，许多对线形适应性高、外形美观、造价合理的桥梁不断被引入和发展,这其中便包含连续刚构桥。 关键词: 连续刚构桥；上部结构；稳定性
一、国内连续刚构桥发展
我国于1988年开始从国外引入该桥型,1990年建成了国内首座连续刚构桥一主跨180m的广州洛溪大桥(图1.1)。
图1.1 国内首座连续刚构桥——洛溪大桥
其后,随着公路建设的迅猛发展，连续刚构桥梁的建设数量呈井喷式增长，取得了举世瞩目的成绩。据不完全统计，截止2008年，我国国内己建或在建主跨大于200m的连续刚构桥有55座，跨径在100m~200m的之间的连续刚构桥梁百余座，2006年建成的重庆石板坡大桥复线桥主跨更是达到330m ，此桥的独特之处在于主跨跨中部分为一段长108m的钢箱梁。部分国外主跨跨度超过250m的预应力混凝土连续刚构见表1.2，国内部分主跨跨径超过200m的预应力混凝土连续刚构桥梁见表1.3。
表1.2部分国外主跨跨径超过250m连续刚构桥梁
表1.3部分国内主跨跨径超过200m连续刚构桥梁
二、连续刚构桥的特点:
(1)连续刚构桥的上部结构具有连续梁桥的受力特点，但由活载引起的跨中区域正弯矩较连续梁桥小。当桥壤采用双肢薄壁墩时，对壤顶梁段形成多点支撑，对壤顶梁体的负弯矩具有显著的消弯作用。
(2)连续刚构桥具有良好的抗震性能，地震作用下产生的水平地震力可分摊给各个桥缴承受，不需要像连续梁一样设置制动桥墩，或采用价格昂贵的专用抗震支座。
(3)连续刚构桥壤梁固结，省却了大跨连续梁桥的支座，无需进行巨型支座的设计、制造、养护与更换，可节省工程费用。
(4)由于采用壤梁固结，连续刚构便于采用悬臂法施工，避免了连续梁桥施工时进行施工体系转换所需的临时固结措施。
(5)外形美观，由于伸缩缝设置较少，具有良好的行车平顺性。
(6)部分连续刚构桥存在跨中下烧较大现象，如湖北黄石大桥跨中下烧达22.6cm，虎门大桥辅航道桥跨中最大下挠达22.2cm。且跨中下烧长期增长,结构的长期烧度值远大于设计值，严重影响到这一桥型的进一步发展。
三、连续刚构桥的未来发展
(1)上部结构不断轻型化，采用高强混凝土或轻质混凝土，减轻上部结构自重，进而降低对挂篮的要求和基础工程量，以降低工程造价。
(2)在大跨连续刚构桥梁中，使用波形钢腹板代替混凝土腹板，在降低上部结构自重的同时避免混凝土腹板开裂现象。
(3)在连续刚构桥梁初步设计时，对连续刚构桥梁的设计参数进行优化，合理选择连续刚构桥梁的设计参数。
四、桥梁结构设计方案
连续刚构桥梁的设计参数众多，在所有的设计参数,并不是所有的设计参数对于其受力性能的影响都相同，在进行优化时，需要选择的参数是那些对结构的受力性能影响较大的参数。
在连续刚构桥梁的设计中，其主桥部分的长度通常是确定的，连续刚构桥梁自身的设计参数主要可分为上部结构参数与下部结构参数两类，本文暂未考虑连续刚构桥梁在静力与地震作用下的环境参数,如不同的温度作用、不同的行波方式与不同的地震波种类等。
上部主梁的截面形式主要有单箱单室与单箱双室两种，根据文献统计资料，目前连续刚构桥梁主梁截面形式以单箱单室为主。
单箱单室连续刚构桥梁的上部结构参数分类如下:
1、边中跨比:连续刚构桥梁边跨与中跨的比值。
2、主梁截面形式及尺寸：
1)梁底曲线幂次;
2)梁闻参数:跨中梁高高跨比、根部梁高高跨比;
3)箱梁几何参数:顶板厚度、底板厚度、腹板厚度、悬臂长度与横隔板尺寸。
3、上部主梁施工节段的划分。
4、上部主梁预应力束的布置：
1)纵向预应力钢束的布置;
2)横向预应力钢束的布置;
3)竖向预应力钢束的布置。
连续刚构桥梁的下部结构参数分类如下:
(1)墩截面形式:主要为单肢墩与双肢墩,两种桥增又各分为实心与空心两种;
(2)墩布置形式:双肢墩布置间距、墩高比;
(3)墩截面尺寸:墩顺桥向与横桥向的宽度、空心墩的墩壁厚;
(4)系梁的布置形式。
4、1确定上部结构优化变量
连续刚构桥梁的边中跨比值是上部结构的重要设计参数，边中跨比值的选用将会直接影响到梁体内力分布的合理性与施工的方便。边中跨比值过大，将会使边跨的整体刚度偏小，从而导致边跨主梁的应力与烧度不易控制，过大的边中跨比值还会增加边跨支架现绕段的长度，带来施工上的不便；边中跨比值过小，则会不利于连续刚构桥梁的悬臂施工饶筑，甚至会导致过渡桥墩的墩顶支座出现负反力。合理的边中跨比值应能使桥梁具有良好受力性能的同时也便于施工。因此边中跨比值应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。
连续刚构沿顺桥向一般釆用变高度的箱梁截面形式，梁体高度沿纵桥向的变化曲线可以是抛物线、圆曲线以及样条曲线，由于抛物线的形状与梁体在恒载作用下的弯矩图具有相同的变化规律，连续刚构桥梁的梁底曲线常釆用抛物线。采用高次抛物线可以有效的降低根部至跨中部分梁段的梁高，减轻结构的自重，从而降低基础的工程量，但研究表明当采用较高的抛物线次数时，会造成主梁1/4跨径处与1/8跨径处的主拉应力过大。当采用次数较低的抛物线时，会增加结构的自重与基础的工程量，同时底板崩裂的风险也会随着所采用抛物线次数的降低而增加。因而梁底曲线幂次应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。
连续刚构桥梁墩顶负弯矩的绝对值较跨中正弯矩值大，同时连续刚构桥梁多釆用悬臂浇筑施工，该施工方法会在墩顶形成更大的墩顶负弯矩，上述受力特性决定了连续刚构桥梁的墩顶梁高大于跨中梁高。研究表明根部梁高的高跨比与跨中梁高的高跨比对于主梁在汽车荷载下的冲击作用、主梁抗裂性能、主梁的强度和烧度等都具有较为显著的影响。因而主梁的根部与跨中梁高与主跨的高跨比应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。
箱梁的顶板厚度主要考虑两个方面的因素，一是箱梁在活载作用下的横向弯矩和剪力，二是顶板预应力钢束布置的构造要求。据统计,在现有连续刚构桥梁的设计中，顶板厚度沿顺桥向一般为等厚，厚度变化范围为25cm-28cm，变化范围不大，可考虑为优化常量。
连续刚构桥梁箱梁底板的设计主要考虑梁体自身在箱梁底板产生的作用效应、施工荷载、跨中箱梁底板合拢束布置的构造要求。箱梁底板厚度沿顺桥向的
变化规律一般与梁底曲线幕次相同，根据构造要求确定了跨中的底板厚度时，梁体沿顺桥向各部位箱梁的底板厚度亦可确定。因此，箱梁的底板厚度可视作优化常量。
连续刚构桥梁箱梁腹板为适应竖向剪应力与扭转剪应力沿顺桥向的变化，从跨中至墩顶逐渐变厚。根据统计，箱梁跨中腹板厚度一般根据构造要求取为40cm-50cm,其值在优化设计时可视为优化常量。
目前大跨连续刚构桥梁的修筑多釆用悬臂施工法，而不同形式上部主梁施工节段的划分，将会对上部主梁纵向预应力钢束的布置形式产生影响，从而直接影响连续刚构桥梁施工期间与成桥后的受力，虽然目前还未有关于连续刚构桥梁施工节段划分对桥梁受力影响的研究，但上部主梁的节段划分应与预应力钢束的纵向布置一起作为优化变量。
对于上部主梁截面较宽的连续刚构桥梁，为克服腹板处较大的横向负弯矩与截面横向跨中的横向正弯矩，需布置横向预应力钢束，为克服腹板较大的主拉应力,需在腹板中布置竖向预应力钢筋。上述两种预应力钢筋的布置在截面宽度与高度确定的条件下变化并不大，在优化时可作为优化常量。
综上所述，连续刚构的上部设计参数中，对于边中跨比、根部梁高的高跨比、跨中梁高的高跨比、梁底曲线的幕次、施工节段划分方式以及纵向预应力钢束布置在优化时作为优化变量，其余设计参数在优化时可视为优化常量。
4.2确定下部结构优化变量
连续刚构桥墩的截面常用类型有单肢实心、单肢空心、双肢实心及双肢空心四类，连续刚构桥缴的截面尺寸对于桥梁在施工与使用期间的受力性能有着重要的影响，主要体现在以下几个方面:
(1)为了适应梁体纵桥向由于温度变化、混凝土的收缩徐变等引起的变形，桥墩应具有适当的纵向抗推刚度，抗推刚度对温度作用与混凝土收缩徐变作用下的受力影响较大，而桥墩的抗推刚度在桥墩高度一定时，截面惯性矩的大小与桥缴的截面尺寸有着直接关系。
(2)为抵抗横桥向的风荷载，减小偏载引起的横向位移，提高行车的舒适性，桥墩应具有较大的横向刚度，桥墩的横向刚度同样与桥墩的截面尺寸相关。
(3)对于采用悬臂法施工的连续刚构桥梁，施工期间横向风荷载对桥梁的稳定均起控制作用，应尽量减小桥壤横向的迎风面积。
因桥墩的截面尺寸对连续刚构桥梁施工和使用期间的受力影响较大，除桥墩的横桥向尺寸外，其余桥墩截面的参数在优化中应视为优化变量，这些优化变量包含顺桥向尺寸、空心墩的墩厚。桥墩沿横桥向的宽度视为优化常量的原因是其尺寸常根据箱梁底板宽度加上挡块尺寸确定。
对于双肢薄壁墩连续刚构桥梁，当采用悬臂施工时，要求双肢薄壁墩具备一定的抗弯与抗扭刚度，而双肢薄壁墩的间距对于桥墩顺桥向的抗弯刚度影响很大，因而有必要将双肢薄壁墩连续刚构桥的双肢间距作为优化变量。
据研究，当双肢薄壁墩的墩高在60m-110m，可设1道横系梁，墩高高于110m时，可设1-2道横系梁，过多的横系梁对于双薄壁墩的受力不利，对于桥墩的稳定性也并非有利。因此，在双薄壁墩连续刚构桥梁优化时，只需根据墩高和构造要求设置1-2道横系梁，并无必要将横系梁的布置方式作为优化变量。
五、总结
本文通过对连续刚构桥梁优化要素的分析，得出连续刚构的上部设计参数中，边中跨比、根部梁高的高跨比、跨中梁高的高跨比、梁底曲线的幂次、施工节段的划分方式、纵向预应力钢筋的布置作为优化变量，其余设计参数在优化时可视为优化常量；连续刚构的下部设计参数中，以桥墩的顺桥向尺寸、双肢薄壁间距、墩壁厚度作为优化变量，其余参数除桥壤壤高比单独研究外，均作为优化常量。
关于连续刚构桥的初步设计
摘 要: 随着社会经济的发展，修建大量的高等级公路已是时代发展的必然要求，高等级公路对于路线的线形指标有着较高的要求，许多对线形适应性高、外形美观、造价合理的桥梁不断被引入和发展,这其中便包含连续刚构桥。 关键词: 连续刚构桥；上部结构；稳定性
一、国内连续刚构桥发展
我国于1988年开始从国外引入该桥型,1990年建成了国内首座连续刚构桥一主跨180m的广州洛溪大桥(图1.1)。
图1.1 国内首座连续刚构桥——洛溪大桥
其后,随着公路建设的迅猛发展，连续刚构桥梁的建设数量呈井喷式增长，取得了举世瞩目的成绩。据不完全统计，截止2008年，我国国内己建或在建主跨大于200m的连续刚构桥有55座，跨径在100m~200m的之间的连续刚构桥梁百余座，2006年建成的重庆石板坡大桥复线桥主跨更是达到330m ，此桥的独特之处在于主跨跨中部分为一段长108m的钢箱梁。部分国外主跨跨度超过250m的预应力混凝土连续刚构见表1.2，国内部分主跨跨径超过200m的预应力混凝土连续刚构桥梁见表1.3。
表1.2部分国外主跨跨径超过250m连续刚构桥梁
表1.3部分国内主跨跨径超过200m连续刚构桥梁
二、连续刚构桥的特点:
(1)连续刚构桥的上部结构具有连续梁桥的受力特点，但由活载引起的跨中区域正弯矩较连续梁桥小。当桥壤采用双肢薄壁墩时，对壤顶梁段形成多点支撑，对壤顶梁体的负弯矩具有显著的消弯作用。
(2)连续刚构桥具有良好的抗震性能，地震作用下产生的水平地震力可分摊给各个桥缴承受，不需要像连续梁一样设置制动桥墩，或采用价格昂贵的专用抗震支座。
(3)连续刚构桥壤梁固结，省却了大跨连续梁桥的支座，无需进行巨型支座的设计、制造、养护与更换，可节省工程费用。
(4)由于采用壤梁固结，连续刚构便于采用悬臂法施工，避免了连续梁桥施工时进行施工体系转换所需的临时固结措施。
(5)外形美观，由于伸缩缝设置较少，具有良好的行车平顺性。
(6)部分连续刚构桥存在跨中下烧较大现象，如湖北黄石大桥跨中下烧达22.6cm，虎门大桥辅航道桥跨中最大下挠达22.2cm。且跨中下烧长期增长,结构的长期烧度值远大于设计值，严重影响到这一桥型的进一步发展。
三、连续刚构桥的未来发展
(1)上部结构不断轻型化，采用高强混凝土或轻质混凝土，减轻上部结构自重，进而降低对挂篮的要求和基础工程量，以降低工程造价。
(2)在大跨连续刚构桥梁中，使用波形钢腹板代替混凝土腹板，在降低上部结构自重的同时避免混凝土腹板开裂现象。
(3)在连续刚构桥梁初步设计时，对连续刚构桥梁的设计参数进行优化，合理选择连续刚构桥梁的设计参数。
四、桥梁结构设计方案
连续刚构桥梁的设计参数众多，在所有的设计参数,并不是所有的设计参数对于其受力性能的影响都相同，在进行优化时，需要选择的参数是那些对结构的受力性能影响较大的参数。
在连续刚构桥梁的设计中，其主桥部分的长度通常是确定的，连续刚构桥梁自身的设计参数主要可分为上部结构参数与下部结构参数两类，本文暂未考虑连续刚构桥梁在静力与地震作用下的环境参数,如不同的温度作用、不同的行波方式与不同的地震波种类等。
上部主梁的截面形式主要有单箱单室与单箱双室两种，根据文献统计资料，目前连续刚构桥梁主梁截面形式以单箱单室为主。
单箱单室连续刚构桥梁的上部结构参数分类如下:
1、边中跨比:连续刚构桥梁边跨与中跨的比值。
2、主梁截面形式及尺寸：
1)梁底曲线幂次;
2)梁闻参数:跨中梁高高跨比、根部梁高高跨比;
3)箱梁几何参数:顶板厚度、底板厚度、腹板厚度、悬臂长度与横隔板尺寸。
3、上部主梁施工节段的划分。
4、上部主梁预应力束的布置：
1)纵向预应力钢束的布置;
2)横向预应力钢束的布置;
3)竖向预应力钢束的布置。
连续刚构桥梁的下部结构参数分类如下:
(1)墩截面形式:主要为单肢墩与双肢墩,两种桥增又各分为实心与空心两种;
(2)墩布置形式:双肢墩布置间距、墩高比;
(3)墩截面尺寸:墩顺桥向与横桥向的宽度、空心墩的墩壁厚;
(4)系梁的布置形式。
4、1确定上部结构优化变量
连续刚构桥梁的边中跨比值是上部结构的重要设计参数，边中跨比值的选用将会直接影响到梁体内力分布的合理性与施工的方便。边中跨比值过大，将会使边跨的整体刚度偏小，从而导致边跨主梁的应力与烧度不易控制，过大的边中跨比值还会增加边跨支架现绕段的长度，带来施工上的不便；边中跨比值过小，则会不利于连续刚构桥梁的悬臂施工饶筑，甚至会导致过渡桥墩的墩顶支座出现负反力。合理的边中跨比值应能使桥梁具有良好受力性能的同时也便于施工。因此边中跨比值应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。
连续刚构沿顺桥向一般釆用变高度的箱梁截面形式，梁体高度沿纵桥向的变化曲线可以是抛物线、圆曲线以及样条曲线，由于抛物线的形状与梁体在恒载作用下的弯矩图具有相同的变化规律，连续刚构桥梁的梁底曲线常釆用抛物线。采用高次抛物线可以有效的降低根部至跨中部分梁段的梁高，减轻结构的自重，从而降低基础的工程量，但研究表明当采用较高的抛物线次数时，会造成主梁1/4跨径处与1/8跨径处的主拉应力过大。当采用次数较低的抛物线时，会增加结构的自重与基础的工程量，同时底板崩裂的风险也会随着所采用抛物线次数的降低而增加。因而梁底曲线幂次应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。
连续刚构桥梁墩顶负弯矩的绝对值较跨中正弯矩值大，同时连续刚构桥梁多釆用悬臂浇筑施工，该施工方法会在墩顶形成更大的墩顶负弯矩，上述受力特性决定了连续刚构桥梁的墩顶梁高大于跨中梁高。研究表明根部梁高的高跨比与跨中梁高的高跨比对于主梁在汽车荷载下的冲击作用、主梁抗裂性能、主梁的强度和烧度等都具有较为显著的影响。因而主梁的根部与跨中梁高与主跨的高跨比应作为连续刚构桥梁优化时的优化变量。
箱梁的顶板厚度主要考虑两个方面的因素，一是箱梁在活载作用下的横向弯矩和剪力，二是顶板预应力钢束布置的构造要求。据统计,在现有连续刚构桥梁的设计中，顶板厚度沿顺桥向一般为等厚，厚度变化范围为25cm-28cm，变化范围不大，可考虑为优化常量。
连续刚构桥梁箱梁底板的设计主要考虑梁体自身在箱梁底板产生的作用效应、施工荷载、跨中箱梁底板合拢束布置的构造要求。箱梁底板厚度沿顺桥向的
变化规律一般与梁底曲线幕次相同，根据构造要求确定了跨中的底板厚度时，梁体沿顺桥向各部位箱梁的底板厚度亦可确定。因此，箱梁的底板厚度可视作优化常量。
连续刚构桥梁箱梁腹板为适应竖向剪应力与扭转剪应力沿顺桥向的变化，从跨中至墩顶逐渐变厚。根据统计，箱梁跨中腹板厚度一般根据构造要求取为40cm-50cm,其值在优化设计时可视为优化常量。
目前大跨连续刚构桥梁的修筑多釆用悬臂施工法，而不同形式上部主梁施工节段的划分，将会对上部主梁纵向预应力钢束的布置形式产生影响，从而直接影响连续刚构桥梁施工期间与成桥后的受力，虽然目前还未有关于连续刚构桥梁施工节段划分对桥梁受力影响的研究，但上部主梁的节段划分应与预应力钢束的纵向布置一起作为优化变量。
对于上部主梁截面较宽的连续刚构桥梁，为克服腹板处较大的横向负弯矩与截面横向跨中的横向正弯矩，需布置横向预应力钢束，为克服腹板较大的主拉应力,需在腹板中布置竖向预应力钢筋。上述两种预应力钢筋的布置在截面宽度与高度确定的条件下变化并不大，在优化时可作为优化常量。
综上所述，连续刚构的上部设计参数中，对于边中跨比、根部梁高的高跨比、跨中梁高的高跨比、梁底曲线的幕次、施工节段划分方式以及纵向预应力钢束布置在优化时作为优化变量，其余设计参数在优化时可视为优化常量。
4.2确定下部结构优化变量
连续刚构桥墩的截面常用类型有单肢实心、单肢空心、双肢实心及双肢空心四类，连续刚构桥缴的截面尺寸对于桥梁在施工与使用期间的受力性能有着重要的影响，主要体现在以下几个方面:
(1)为了适应梁体纵桥向由于温度变化、混凝土的收缩徐变等引起的变形，桥墩应具有适当的纵向抗推刚度，抗推刚度对温度作用与混凝土收缩徐变作用下的受力影响较大，而桥墩的抗推刚度在桥墩高度一定时，截面惯性矩的大小与桥缴的截面尺寸有着直接关系。
(2)为抵抗横桥向的风荷载，减小偏载引起的横向位移，提高行车的舒适性，桥墩应具有较大的横向刚度，桥墩的横向刚度同样与桥墩的截面尺寸相关。
(3)对于采用悬臂法施工的连续刚构桥梁，施工期间横向风荷载对桥梁的稳定均起控制作用，应尽量减小桥壤横向的迎风面积。
因桥墩的截面尺寸对连续刚构桥梁施工和使用期间的受力影响较大，除桥墩的横桥向尺寸外，其余桥墩截面的参数在优化中应视为优化变量，这些优化变量包含顺桥向尺寸、空心墩的墩厚。桥墩沿横桥向的宽度视为优化常量的原因是其尺寸常根据箱梁底板宽度加上挡块尺寸确定。
对于双肢薄壁墩连续刚构桥梁，当采用悬臂施工时，要求双肢薄壁墩具备一定的抗弯与抗扭刚度，而双肢薄壁墩的间距对于桥墩顺桥向的抗弯刚度影响很大，因而有必要将双肢薄壁墩连续刚构桥的双肢间距作为优化变量。
据研究，当双肢薄壁墩的墩高在60m-110m，可设1道横系梁，墩高高于110m时，可设1-2道横系梁，过多的横系梁对于双薄壁墩的受力不利，对于桥墩的稳定性也并非有利。因此，在双薄壁墩连续刚构桥梁优化时，只需根据墩高和构造要求设置1-2道横系梁，并无必要将横系梁的布置方式作为优化变量。
五、总结
本文通过对连续刚构桥梁优化要素的分析，得出连续刚构的上部设计参数中，边中跨比、根部梁高的高跨比、跨中梁高的高跨比、梁底曲线的幂次、施工节段的划分方式、纵向预应力钢筋的布置作为优化变量，其余设计参数在优化时可视为优化常量；连续刚构的下部设计参数中，以桥墩的顺桥向尺寸、双肢薄壁间距、墩壁厚度作为优化变量，其余参数除桥壤壤高比单独研究外，均作为优化常量。