横向带斜撑的大悬臂脊骨梁

传统的单箱单室梁当宽度较大时，产生的剪力滞效应、截面畸变和横向弯矩也会增大，造成材料利用率低。为了避免这些不利影响，桥宽大于15m 时，应采用优化的箱梁截面。多箱室梁由于减小了翼缘板宽度，不利影响会有所减少，但同时却增加了支模难度和施工时间。目前宽体箱梁的方案更趋向于使用斜撑或肋板增加横向承载力、增大悬臂长度，这类增加了横向斜撑或肋板的箱梁简称为脊骨梁。

大悬臂脊骨梁通过均匀分布的横向肋板或斜撑对大悬臂进行支撑，这些加劲肋不仅能增大箱梁悬臂长度，也能有效减小顶板厚度。1970年的旧金山国际机场高架桥第一次出现脊骨梁的形式，目前在国内外已经有较多应用。

本次说桥拟对过往已发表文章脊骨梁类型桥梁进行汇总介绍，拟在加深对此类桥梁的认识。

（1） 巴西拉古纳大桥

拉古纳镇距离库里提巴南部有5个小时的车程。在这里，正在建造2815米长的四车道拉古纳大桥，也被称为安妮塔加里波第大桥。一旦完工，它将成为巴西第三长桥，作为联邦高速公路BR-101的一部分，它将显著改善从北到南及其他南美国家的交通连接。

巴西拉古纳大桥引桥跨径为50m，共计49跨，长度为1640m+790m，桥宽24.1m，采用预制混凝土节段建造，采用直径32mm 预应力钢棒既用于生产预制节段，也用于横向安装的预制悬臂构件加宽桥面板。为此，使用架桥机将预制悬臂构件提升到位，之后起吊横向预制件，然后，在横向预制悬臂梁中插入的后张拉杆，用连接器紧紧地连接到空心主箱梁上。一旦张拉纵向钢绞线，稳定预制混凝土节段，然后施加横向预应力，并在两侧横向支架上现浇桥面。直径36mm 预应力 钢筋也用于将重型预制混凝土节段从现场工厂运输到桥梁。

（2）耳目一新的高架桥箱梁

对于横跨溪谷的桥梁，由斜杆支撑组成的大悬臂混凝土箱梁或钢混组合箱梁既是最佳解决方案，也是令人耳目一新的创新方案。这些桥令人赏心悦目，结构上又非常高效。通过桥梁梁段的逐段施工，可以进一步提高这类结构的经济性。在斯洛伐克和捷克共和国，有多座高架桥采用这类解决方案。

斜支撑可以由单个杆件或者单片桁架或者混凝土板做成（见图1），后两者连同顶板形成一个近似三箱室箱梁（见图2），这些斜撑对结构的弯矩和扭矩承载能力贡献很大。

图1  a）采用单个预制杆件的斜撑

b）采用预制单片桁架的斜撑

c）采用预制混凝土板的斜撑

图2   a）单个箱室内部剪力流

b）三箱室内部的剪力流

c）近似三箱室内部的剪力流 

两个类似的高架桥将在D1高速公路靠近Levoca市的Janovce-Jablonov路段上建造，这两个桥跨越Lodina和Doliansky小溪谷，总长分别为367m和414m，标准跨径为65m，桥宽28.7m，均双向通车。主梁高度2.6-4m。由于桥面板和双撑杆之间采用铰接，桥梁形成了半整体式结构系统。

图3  D1 216桥横截面

所有的脊柱梁主梁都是在上行式模架上逐跨施工，中间的脊骨梁悬臂较短，采用现浇方法。所有桥的桥面板都张拉纵向预应力，包括基本横断面内的体内束和位于中间箱梁里的体外束。体内束在施工接头处连接接长。体外束被锚固在墩顶的横隔板上，并在墩顶和跨中转向器上进行转向。

桥面板横桥向布置间距1.5m的单根（4股）预应力钢束。施工过程中，斜撑被悬挂在2根预应力杆件上，预应力杆件则锚固在主梁外悬臂上。斜撑的名义宽度为3m或2.5m，它支撑在大梁的底部承托上（见图6）。施工时，先在斜撑上架立模板，然后在模板上浇筑混凝土桥面板。桥面板横向预应力施加完成后，再张拉纵向体外束。 

图4  预制斜撑的悬挂体系 

图5 悬臂模板 

安装阶段           使用阶段

图6 斜撑与主箱梁的连接

图7   桥面板逐段施工

Hrabynka溪谷桥（206号桥）是第一座组合梁高架桥， 6跨连续梁全长330m，各跨跨径从39m到66m不等。Kremlice溪谷桥（207号桥）是第二座组合梁高架桥，11跨连续梁，全长528m，各跨跨径从33m到57m不等，但206号桥是直线桥，而207号桥位于圆曲线到直线的变化段上，平面圆曲线半径900m。  

（3）超宽箱梁-哥伦比亚新Pumarejo大桥

跨越Magdalena河的新桥全长约4km，主桥长1865m，南北引桥及匝道桥全长1920m；根据新的通航要求，主桥采用了主跨380m的斜拉桥，全长830m，主梁采用预应力混凝土。为了统一，主桥及引桥、匝道桥均采用预制节段法（施工图改为现浇）。

图1.b 施工图设计主桥斜拉索布置区横截面图方案

图2.d 引桥横截面图方案

初步设计阶段为了减轻悬吊节段的重量并便于安装，在第一个阶段，先安装预制中央箱梁，第二阶段安装悬臂部分，在现场使用横向挂篮安装悬臂。

与引桥一样，匝道桥也采用类似方法。这些节段是标准化的，允许在所有匝道中使用相同的模板和相同的装置。

施工图阶段根据当地施工的技术实力与习惯，引桥改为造桥机分层现浇+后续现浇大挑臂，主桥也类似，改为挂篮现浇+后续现浇大挑臂。

（4）优雅的效率——马来西亚的槟城双溪Prai桥

马来西亚的槟城双溪Prai桥(Pinang)在2006年被英国结构工程师学会授予最高奖和运输结构奖。评委们称赞它是一座桥梁工程的杰出典范，它最有效、最具想象力，并将其视为21世纪的标志性建筑。

使用具有悬臂侧框架的多室箱形梁，所有桥梁均采用节段梁，这已成为作者之一Seshadri Srinivasan在超过15年的时间里完成的一项富有个性的创新主题。主要想法是提供一个桥面宽阔的主梁，但可以轻松地起吊到位，并使设计最大限度地重复，以最大限度地降低成本。该种形式可以生成高效的结构系统，因此节省更多。主梁预应力是在箱子的安全范围内完成的。先按照顺序完成脊骨梁，然后在随后的阶段添加侧悬臂框架。

混凝土的好处之一就是它适用于复杂的形状。工程师必须用他或她的技能以简单的方式制作这些复杂的形状。在个例子中，预制悬臂框架是标准的。主梁宽度变化是通过沿着主梁中心线的腹板增加或减少来实现的；侧面底板始终保持与中心线相同的方向。

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（5）西班牙圣佩德罗-德拉里贝拉高架桥拓宽工程

圣佩德罗-德拉里贝拉（San Pedro de la Ribera）高架桥位于西班牙阿斯图里亚斯自治区（Asturias）境内，属于A-8高速公路圣马科斯-诺维亚纳段（Las Due?as-Novellana）的桥梁之一，大桥跨越Esqueiro河，建成于1994年。拓宽前上部结构为预应力混凝土连续箱梁，全长750m，主跨150m。桥梁于2008-2009年由12m拓宽至23m。

由于原桥梁设计并没有考虑到未来加宽的情况，因此，拓宽工程需要对老桥进行加固，来承担拓宽增加的荷载。加固措施包括：在老桥箱梁中增加一道中腹板、在老桥体外连接一钢混组合结构，此外，还在老桥中增设了体外预应力。

在原有桥面二侧各安装一个5.5m宽的外悬臂板，使桥宽从12m变为23m，二侧悬臂板边缘距离外侧腹板8.25m，由于悬臂太大，且老桥悬臂根部为最不利截面，因此无法将该构件设置为悬臂，因此，需要在距腹板7.90米处设置新悬臂的支撑。这些支撑采用斜柱，每4-5米一道，它们将荷载从桥面板转移到位于主梁的外部底角的钢构件上（图1）。此处，它们被连接到斜钢棒上，并将荷载的竖向分量从斜撑传递中腹板上，而不增加既有侧腹板上的剪应力。

图1 斜撑、钢节点以及拓宽顶板

根据上述情况，这里提出了一种新的横向抗弯结构体系。原有的横向弯曲体系变为撑杆系杆体系，顶板受拉，撑杆受压，内部受拉钢筋承担荷载的竖向分量，底板受压（图2）。

图2  横向抗弯结构体系

另外，张拉斜向预应力钢棒时，会出现四种情况: 首先，新活载产生的撑杆的竖向位移几乎被消除; 第二，竖向载荷转移到中腹板上，不会增加分布到既有侧腹板的受力; 第三，降低了连接组合箱梁的横梁的弯矩；第四，当存在非对称活载时，箱梁截面与中腹板连接的水平横向力也降低了。然而，主梁的既有底板会产生一些关键的压应力；因此，当底板的厚度小于0.2m时，有必要在底板上设置一些横梁（图2）。

同时，斜向预应力筋张拉时，对主梁箱体截面的变形进行控制也很重要。故在某些特定的部分布置了一些斜向刚性支撑结构（图3）。这种支撑结构不能有效地将竖向荷载从侧腹板转移到中腹板上，但是它们意在限制主梁箱型截面高度不足时的变形。

图3 跨中内部斜撑和横隔板

如上所述，在新的结构体系中，顶板受拉; 由于受拉应力的影响，提出了一种新的顶板横向预加应力方法；它是由10股等间距的预应力筋组成作为撑杆，并锚定到每个悬臂端的边缘（为了将这些预应力筋放入顶板，在顶板处事先预留孔道）。在顶板施加预应力的原因，一是为了抵抗撑杆系杆体系产生的拉应力；二是为了在考虑水平剪应力的情况下，增加顶板的抗力。

为了计算了横向弯矩和箱体截面的变形，建立了150米跨度的有限元模型。该模型还可用于验算所有横向构件（斜向预应力筋、横梁、斜撑、钢框架），并详细分析侧腹板与中腹板之间的剪应力分布。模型还包括桥墩连接处的边界条件、横向预应力和其他结构单元的影响（图4）。

图4  用于计算横向效应的有限元模型

（6）New Ganga Bridge 世界最长的矮塔斜拉桥

这座9.75公里长的新桥将连接卡奇达加尔30号国道和比都普尔103号国道，横跨恒河。它是一条六车道的高速公路，66个跨度150米的矮塔斜拉桥，这条高速公路全长22.76公里，合同金额为4.8亿美元。设计周期预计为12个月。

（7） 特拉帕加（Trapagaran）高架桥

主线高架桥总长为670m，主跨125m。如前文所述，桥面由三幅路面，宽度为35.60m，2个路幅为上行车道，各有2个车道及路肩，路幅宽度为9.50m，另一个下行车道有三个车道，宽度为13.50米，各幅车道间为0.60m的刚性护栏，在外侧为宽度0.50m的护栏。

上部结构核心主梁采用的是预应力混凝土结构，等高，高度为5.90m，非常适应曲线和横坡；箱梁上部宽度为19.00m，通过斜撑及悬臂形成整体宽度；箱梁跨中及大部分腹板厚度为0.60m，墩顶范围腹板厚度增加到0.90m。

斜撑不但允许实现大悬臂，同时，形成一个斜面来装饰箱梁的边缘。此外，外部斜撑还形成了横向的三角形，在箱内采用钢管进行衔接。这一三角形支撑缩短了桥面跨距，使得桥面板采用较薄厚度就可以实现。

上部结构分2阶段形成，第一阶段是采用平衡悬臂法施工核心箱梁，从墩子上对称进行；仅仅开始段的30m和最后的20m，也就是桥跨的端部，是在支架上浇筑的；所有现浇节段长度为5.0m，侧面的斜撑箱梁则随后跟进施工。

除了适应125m跨径和平衡悬臂施工外，等高度梁视觉效果也很好，与变高度连续梁相比，更适应曲线。

核心箱梁底板设有横梁，与斜撑支撑点相对应，也即是斜撑的延伸。这使得箱梁底板看起来像是镶板一样。底板厚度为0.30m，在墩顶增加到1.20m。我们非常注重高架桥下部的外观，因为工业区主要是从下面来观赏本桥的。

（8）总结

脊骨梁是一种新型结构。桥面很宽，桥下净空大，施工时 可不阻断交通。自重轻，外形美观，在桥梁建设中应用前景广泛。 本文主要对说桥已发表的带斜撑的大悬臂脊骨梁，进行了一个简单的汇总，目前国内对斜撑加劲脊骨梁工程实例和计算理论都还涉及较少，对其受力特点，以及参数选择包括斜撑的竖向倾角、斜撑的连接方式等，都是亟待研究的问题。

来源：说桥