斜腿刚构桥桥梁优化

斜腿刚构桥分类

从结构分析方法来说，有静力优化和动力优化。静力优化是在静力荷载作 用下对结构进行静力分析，建立重量、刚度、强度、稳定等方面的目标函数或约束条件，采用合适的优化方法，对结构进行优化设计；动力优化是对结构进行动力分析，建立关于结构固有特性(周期、频率等)或动力反应的目标函数或约 束条件进行的优化设计。

从优化方法来讲，有准则法和规划法。准则法是通过力学概念或工程经验建立符合条件的优化准则，这种方法物理意义明确，方法相对简单，收敛速度快；规划法是以数学规划理论为基础的，适应面广，收敛性好，但速度慢。后 一种方法更为常用。

斜腿刚构桥主要内容

(1)截面优化。这是桥梁结构优化设计的基本内容，包括截面形式、截面特性(面积、惯性距)和截面尺寸的优化，是结构布局和材料一定时，预先确定优化目标，建立目标函数，在某种荷载组合作用下，且满足一定的约束条件，寻求结构最优化、最合理的截面。截面优化的优化目标一般都为重量最轻或造价最低。

(2)结构布局优化。主要有几何优化和拓扑优化，其中每项都包含截面优化的内容。几何优化是通过调整结构各结点在空间中的位置，寻求最合理的结构布局，使结构性能最优。几何优化的目标函数一般也均为结构总重量。可进行几何优化的桥梁型式主要有斜腿剐构桥、桁架、钢管拱、桁架拱等几种。拓扑优化是在不退化为机构的条件下，通过增加或去掉某些构件，寻求最合理、 最经济的连接形式，桁架类桥可进行拓扑优化。 2100433B

复杂性

大跨度拱桥地震反应的复杂性主要表现在两个方面：

(1)高阶振型的影响不可忽略。在地震中较易受破坏的细部结构，其地震反应往往是由高阶振型的贡献起控制作用的。

(2)多点不同步激励和竖向地震动的影响不可忽略。拱桥是多次超静定体系，在大跨度拱桥的地震反应中，多点不同步激励的影响是最受关注的，它将产生由于拱脚相对位移引起的拟静力作用以及激发起对称振型对地震反应的贡献，从而使地震反应增大。增大的程度与地震输入特性，结构本身的刚度、动力特性等因 素有关。当桥的刚度较大时，拟静力反应起控制作用；而结构柔性的增加，对称振型的贡献将起主导作用。另外，考虑竖向地震动的作用，一般也会使桥梁的地震反应有较大增加。

横向与纵向地震分析

一、在纵向地震荷载作用下，对于主梁，墩梁固结处的主梁根部反应比跨中大。

二、在横向地震作用下，主梁跨中反应比根部大。因此，在斜腿刚构桥梁抗震设计中，地震反应的控制截面在斜腿顶部、主梁根部和跨中截面。

一、温度变化对于结构受力的影响：

混凝土桥梁结构在太阳照射和气温变化等环境影响因素下，在结构内部会引起随时问变化的非线性温度分布，将会产生温度应力和温度位移。对于上部主梁和斜腿固接的多次超静定的斜腿刚构桥，因温度变化产生的结构内力对整个结构的验算有很大的影响。随着温度变化度数的增大，结构主要断面的弯矩值均不断增大，斜腿顶端的内力值变化最大。

二、基础变位对结构内力的影响：

斜腿刚构桥因同时兼具梁式刚构和拱的特性，墩台的沉降或者强制位移在结构内部均会引起结构次内力，墩台的变位值理论上是可以通过桥位处的地质情况计算出来的，但实际桥位处的地质情况又很难确定和水文的随时间的变化性，那么基础变位值就很难确定了。随着基础变位(水平和竖直)数值的增大，结构主要断面的弯矩值亦增 大，竖向变位对中跨支点的内力影响较大，斜腿顶端对水平变位更敏感。

三、斜腿不同支撑(固接、铰接)对结构内力影响：

支点铰接下的斜腿可以做成上大下小的变截面形式，增加视觉和美观效果；斜腿固接时，结构超静定次数增多，结构整体性和刚度均增大。温度和基础变位对结构后期运营阶段有很大的影响。边跨跨中和中跨支点处由恒载引起的弯矩在斜腿铰接情况相比固接情况下较大，中跨跨中和斜腿顶端处较小； 斜腿固接情况下温度对整个结构的影响相比铰接情况下增大更为明显；斜腿铰接情况下中跨支点弯矩比固接下小，斜腿顶端的弯矩大。斜腿的支撑情况必须合理选择，使结构的受力更合理。

斜腿刚构的整体性非常好，尤其是采用整体现浇的混凝土结构。斜腿将梁体传来的力有效地传给基础，同时为主梁提供一定的刚度贡献，且由于斜腿的设置，使主梁中跨承受轴向压力。强大的隅节点连接着主梁与斜腿，使两者相互制约、相互影响，共同工作。斜腿刚构的主梁可看做一个连续梁，但主要截面的弯距均比同样跨度的连续梁要小。

斜腿刚构桥由于受力和外型特点，特别适合在跨越河谷、线路且两岸地质条件良好的条件下修建。这种桥型还具有很多独特的特点：

(1)截面相对较小，结构较轻型。由于斜腿的设置，主梁获得了较大的“免费预应力”，截面可做的较小。

(2)跨越能力大。通过斜腿的设置，可用较小的主梁跨度获得较大的跨越能力，特适合于城市跨线立交和深山、峡谷、水深流急地区修建。

(3)结构性能好。从各国已建桥梁来看，该桥型具有纵向、竖向刚度大，抗裂性和抗震性都比较好的特点。

(4)桥面连续，司乘条件好。需要时，可采用斜腿刚构连续梁桥，增长桥面连续长度。

(5)施工较简便。可采用缆索吊装、悬臂施工、设备较简单的转体施工等。 修建同等跨度桥梁，施工比拱桥简单，用材比简支梁桥省。

(6)造型轻巧美观。线条简洁明快，桥下通视好；预应力混凝土斜腿刚构桥的梁底呈曲线布置，具有类似拱桥的形状，颇带有民族色彩。在提倡桥梁的美学设计的呼声中，斜腿刚构桥正成为城市修建桥梁的首选桥型之一。

斜腿刚构桥是刚构桥的一种，它与三跨连续刚构桥的不同之处是：三跨连续刚构桥与主梁固结的桥墩与水平面垂直，而斜腿刚构桥与主梁固结的桥墩与水平 面的夹角为锐角。

对比直腿刚构桥，斜腿刚构桥能缩短主梁的跨度，为中跨提供预压应力，从而削弱构件的内力峰值，使桥梁变得轻巧和纤细。斜腿刚构桥属三次超静定结构，具有斜向支撑构件和水平向梁式构件，构件受弯并按照刚度的大小分配弯矩，具有刚构梁的特性；构件偏心受压，又具备拱的特性。

斜腿刚构桥采用斜腿与主梁固结的型式来支撑桥梁结构，斜腿底部受到了较大的水平力作用，主跨主梁承受了较大的轴向压力，可以为中跨主梁提供预压应力，从而减小主梁截面高度和预应力钢束用量，所以梁腿固结这种型式不但能改善桥梁结构的受力状况，还能节省工程材料。斜腿刚构桥主梁的正弯矩与简支梁相比较小，具有更大的跨越能力，在特殊的路段可以避免中墩的设置。该桥型用较小的主梁跨度跨越其它线路，当应用在公路和通航的河流上时，能够提高通车和通航能力；当应用在山区峡谷等复杂地形时，能够减小施工难度。

这类桥型因其具有呈水平向的梁式构件和斜向支承构件而在力学行为上兼具梁式刚构特性(构件受弯并按刚度比例分配其值大小)和拱的特性(构件偏心受压)，且在桥型构件的组成上使受力较大的区域(跨中附近)产生压力而变为偏心受压构件，桥梁上下部各构件相互固结形成坚固几何形态的体结构，共同抵抗外荷载。与直腿刚构桥相比，斜腿的作用使主梁跨度明显缩短，并为中跨梁提供免费的预应力，大大削弱了组成构件的内力峰值而使构中变得轻巧和纤细。斜腿刚构桥以其外形匀称、平衡性好、墩位合理、抗风性强、可利用悬臂施工等优势，有较强竞争能力。尤其在跨越山谷、修建立交桥时更为适用。

刚架拱桥是在双曲拱桥、桁架拱桥、肋拱桥和斜腿刚构桥等基础上，结合我国拱桥特点及无支架施工经验而发展起来的新桥型。

刚架拱桥的上部结构是由拱腿与实腹段合龙后组成裸肋，在裸肋的基础上架弦杆及斜撑形成刚架拱片；在刚架拱片之间设置横系梁；安装预制的肋腋板(或微弯板)和悬臂板，现浇混凝土填平层和桥面铺装组合而成。

刚架拱桥属于有推力的高次超静定结构。它具有杆件少、整体性好、自重轻、施工简便、材料省、对地基承载力要求比其他拱桥低、造型美观等优点，因此已在我国得到广泛的应用。