空腹式刚构桥设计经验性取值，见证前辈创新设计~

空腹式连续刚构桥，亦称拱梁组合式连续刚构桥，是在常规连续刚构桥形式上将箱梁根部的腹板挖空，通过确定合理的根部高度、空腹区长度、上弦梁段高度和下弦梁段高度，形成下弦下缘与实腹梁段下缘曲线连续、平顺变化的空腹区。

空腹式刚构桥的下弦、上弦与主墩相连接组成三角区，下弦主要起承压作用，可以充分发挥混凝土承压能力强的优势，同时减小实腹梁段的结构长度，优化结构受力，从而提高跨越能力。 根据研究，空腹式连续刚构桥的经济适用跨径为200～400 m，可望填补常规预应力混凝土连续刚构桥(适用跨径<220 m)和大跨径斜拉桥(适用跨径>350 m)之间的空白。

空腹式连续刚构桥结构主要包括墩柱(双肢或单柱式)、根部挖空区域的下弦和上弦以及常规实腹梁段、合龙段等。

空腹式连续刚构桥，其总体结构特性仍然为预应力混凝土梁式桥，保留了预应力混凝土连续梁桥悬臂施工便捷、行车平顺、适应路线线形变化能力强、建养技术较成熟等特点，并大大提高了混凝土梁桥的跨越能力。

与传统的连续刚构桥相比，空腹式连续刚构桥的结构体系具有以下特点：

(1)挖空三角区的下弦受压为主，为拱的受力特征；上弦受拉为主，可以平衡下弦压力；主墩两侧的挖空三角区对称，两侧下弦压力和上弦拉力基本相互抵消，形成自平衡的受力体系。

(2)承受巨大负弯矩的桥墩根部区段，改梁式截面受力模式为挖空三角区框架受力模式，提高了桥墩根部区段的结构承载效率。

(3)挖空三角区，减小了跨中实腹梁段的长度，减少了跨中梁段的受力和挠度。

(4)下弦的设置，减小了墩柱高度，提高了高墩的稳定和受力性能。

(5)根部区域挖空，减小了结构自重，降低了下部构造与基础工程规模，提高了结构抗震能力。空腹式连续刚构桥结构体系相对复杂、关键节点较多、构造设计难度较大、上下弦施工工序较多、施工难度相对较大，在设计验算、预应力配置、构造设计及施工组织与施工控制等环节需要给予充分的重视。

空腹式连续刚构桥，可布置为单主跨、多主跨以及单T的形式，桥墩可采用双肢薄壁墩或箱形柱式墩 ，其桥跨布置见下图：

图2 双肢薄壁墩空腹式连续刚构桥桥跨布置

单柱式墩空腹式连续刚构桥桥跨布置

空腹式连续刚构桥，也可与常规连续刚构组合形成大、小跨的布置形式，从而增强适应地形的能力 ，如下图 ：

多主跨空腹式与常规连续刚构组合布置

与常规连续刚构桥一样，空腹式连续刚构桥的桥墩与上部结构固结，不需要设置大型支座， 桥墩承受上部结构传递的轴力、弯矩以及由于预加力、混凝土收缩徐变和温度变化所引起的梁体纵向位移 。桥墩底部所承受的由上构梁体纵向位移产生的剪力随着墩高的增加和墩身刚度的减小而减小，因此， 布置桥跨时，应选择适当的墩柱高度和墩身截面尺寸，根据工程经验，采用双肢薄壁墩的情况下，墩柱高度不宜小于其与上构梁体整体均匀升降温的纵向位移零点之间距离的1／5～1／4。

空腹式连续刚构桥的桥跨布置与墩柱高度如 下图，双肢薄壁墩的建议高度可表示为下式：

式中，H。为墩柱高度；Li为墩柱与上构梁体纵向温度位移零点之间的距离，上构梁体纵向温度位移零点按桥墩的纵向抗推刚度，采用集成刚度法计算。

空腹式连续刚构桥桥跨布置与墩柱高度

空腹式连续刚构桥中，桥墩除承受上部结构传递的轴力、弯矩以及由预加力、混凝土收缩徐变和温度变化等所引起的内力外，车辆制动力、上部结构地震力等亦将产生较大的效应，且向墩高较小、纵向抗推刚度较大的桥墩集中，因此，连续刚构体系中的桥墩高度，或者 更准确地说，桥墩纵向抗推刚度的差异不宜过大，桥墩高度及其截面形式和尺寸的选择，要力求各墩及其基础的受力较为均匀 ，必要时，在高度较大的双肢之问设置纵向系联，可有效调整桥墩纵向抗推刚度，从而调整上部结构传递到桥墩的内力的分配。

分析空腹式连续刚构桥的结构特点可以发现，主跨跨径L、空腹段下弦梁底与实腹段梁底曲线口、梁体根部总高度H、下弦梁高、上弦梁高、跨中梁高等为该桥型结构的关键参数，对结构受力的合理性、安全性和经济性都有重大影响。

结合贵州六盘水至盘县高速公路北盘江大桥，以主跨290 m空腹式连续刚构桥为研究对象，对梁体根部总高度、梁底曲线幂次、下弦梁高取不同值的8种组合(表1)进行试设计。

通过正交分析，梁底曲线幂次和下弦梁高对桥梁建筑安装费用的影响显著，梁底曲线幂次的影响最为显著。参数组合5的建安费最少，以其参数作为最优参考，取梁体根部总高度为L／8、梁底曲线幂次为2．75、下弦梁高为L／50。

根据贵州六盘水至盘县高速公路北盘江大桥(主跨290 m)和湖北云南庄特大桥(主跨280 m)的施工图设计与计算分析， 建议空腹式连续刚构桥的总体结构参数取值如下：

(1)空腹段下弦梁底与实腹段梁底宜按一致的幂次曲线变化，梁底曲线幂次口的取值范围为2．5～3．0。

(2)空腹段下弦梁底与桥墩的相交点至墩顶桥面的距离，即梁体根部总高度H，宜取主跨跨径或名义主跨跨径的1／9～1／7。

(3)空腹段下弦可采用等高度梁，梁高宜取主跨跨径或名义主跨跨径的1／50～1／40。

(4)空腹段上弦梁高应综合考虑上弦结构受力及纵向预应力布置的需要，宜取空腹段上弦长度的1／15～1／10。

(5)主跨跨中梁高宜取主跨跨径或名义主跨跨径的1／70～1／50。

空腹式连续刚构桥上部结构的总体施工方法

空腹式连续刚构桥上部结构的总体施工方法是先进行空腹区的施工，完成上、下弦汇合后，转入常规实腹梁段的挂篮对称浇筑，直至合龙，最终完成上部结构施工。该类桥梁的施工方法总体上与常规连续刚构桥类似，区别在于空腹区的实施。空腹区结构一般处于高墩之上，难以采用支架施工，其施工方法有一定的特殊性，对施工设备要求较高，施工过程中的受力、变形控制均需高度关注。

在成桥及后期运营阶段，空腹区的下弦梁段主要为承压和抗剪构件，较少布置相应的纵向预应力；上弦梁段虽为预应力构件，但其截面尺寸及抗弯刚度均较下弦梁段小。施工过程中上、下弦结构均无法独立承受长悬臂的挂篮施工荷载，需采用临时支撑或扣索等辅助手段完成挂篮悬浇施工。

根据空腹式连续刚构桥的结构特点，目前可采用的施工方法主要有4种：双层挂篮双层扣挂施工法、下弦扣挂结合上弦支架梁段现浇法、下弦扣挂结合支架支撑的上弦挂篮悬浇法、下弦扣挂结合上弦支架整体现浇法。

4种方法各有特点，设计与施工要结合跨度规模、结构特点、施工机具、工期安排等因素综合比较，合理选择。

空腹式连续刚构桥在传统刚构桥的基础上加大了上部结构的根 部高度 ， 并在墩顶附近挖空腹板 ， 从而在不显著增大 主梁重量的同时大大提高主梁的刚度 ， 并且形成梁 － 拱组合受力方式 。 空腹式连续刚构桥不仅继承了传 统连续刚构桥的优点 ， 还增强了桥梁的跨越能力 ， 其主梁刚度的增大和梁拱组合受力方式也有利于解决传统连续刚构桥跨中下挠和箱梁开裂的问题 。

在同一个跨径下 ， 随着根部梁高的 减小 ， 混凝土和钢筋的工程量和造价单调下降 ， 预应 力钢束的工程量和造价则相反 。 其原因在于根部梁高的减小使得上部结构的刚度不断下降 ， 且削弱了 梁 － 拱组合受力中拱的有效作用 ， 上部结构的内力 分布规律逐渐趋向传统连续刚构桥 ， 即关键截面绝 对弯矩值越来越大 。 为了保证上部结构全预应力混 凝土的受力要求 ， 需不断增大预应力钢束的工程量 。

随着根部梁高的减小而不断降低 ； 预应力钢束的造价为 ２５％ ～ ４５％ ， 且随着根部 梁高的减小而不断增大 ； 普通钢筋的造价相对较稳 定 ， 在 ６ ．５％ ～ １０％ 之间 。 此外 ， 随着跨径 L 的增大 ， 混凝土造价的百分比也不断下降 ， 而预应力钢束造 价的百分比在不断上升 。

一方面 ， 在同一跨径下 ， 根部梁高的下降会引起矢跨 比下降 ； 另一方面 ， 在相同的根部梁高下 ， 主跨的增 大同样会引起矢跨比的降低 ， 矢跨比的减小都会导 致梁 － 拱组合受力行为中拱的效应被削弱 ， 从而导 致预应力钢束造价的百分比显著提高 。 由此可见 ， 梁 － 拱组合受力模式不仅影响了上部结构的受力方 式 ， 也显著影响了桥梁的经济性 。

在不同的跨径下 ， 上部结构的延米经济指标 EI 随着根部梁高 H 的变化趋势大体 相同 ， 即随着根部梁高 H 的减小呈现先减后增的规 律 。 原因在于随着根部梁高 H 的减小 ， 混凝土和钢 筋的造价随之下降 ， 尽管预应力造价逐渐上升 ， 但无 法抵消混凝土和钢筋造价的降幅 ， 因此 ， 上部结构的 总造价及相应的延米经济指标 EI 不断下降 ； 随着 根部梁高 H 的进一步减小 ， 此时结构体系趋于普通 连续刚构桥 ， 下弦梁的拱效应被严重削弱 ， 关键截面 的绝对弯矩大幅增加 ， 导致预应力钢束的数量急剧 增大 ， 混凝土和钢筋造价的降低无法平衡预应力造 价的急剧上升 ， 因此 ， 上部结构的总造价及相应的延 米经济指标 EI 开始逐渐增大 。

当主跨超过 ３００ m 后 ， 经济性不断下 降 ， 且下降的幅度随着跨径的增大呈现不断增大的 趋势 。 相对来说 ， 主跨 ２１０ m 、２５０ m 和 ２９０ m 的上 部结构延米经济指标 EI 非常接近 ， 在不同根部梁 高下的平均值分别为 １ ．６１５ 万元 ／ m 、１ ．６００ 万元 ／ m 、 １ ．６７１ 万元 ／ m ； 而主跨 ３３０ m 和 ３７０ m 的上部结构 平均延米经济指标 EI 则明显偏大 ， 分别达到 ２ ．０５８ 万元 ／ m 、２ ．８８０ 万元 ／ m ， 比 ２５０ m 主跨的延米经济 指标 EI 分别增大了 ２８ ．６３％ 和 ８０ ．００％ 。 当桥梁主跨为 ２５０ m 时 ， 上部结构的经济性最 好， 但空腹式连续刚构桥的合理经济跨径为 ２１０ ～ ２９０ m ， 超过 ３００ m 以后 ， 其 经济性将显著下降 。

对于空腹式连续刚构桥 ， 在跨径一定的情 况下 ， 随着根部梁高的减小 ， 混凝土和钢筋的造价单 调下降 ， 预应力钢束的造价不断上涨 。 原因在于根 部梁高的减小会削弱上部结构的刚度和下弦梁的拱效应 ， 使结构的内力分布趋同于普通连续刚构桥 ， 增大了预应力用量 。