桥梁上部结构设计探究

桥梁上部结构设计探究
摘要：桥梁跨越空间的结构物称桥跨或桥跨结构，桥梁上部结构类型，决定了桥梁的形式。

本文将对桥梁上部结构设计进行详细的探究。

关键词：桥梁上部结构；设计
1 桥梁上部结构的组成
1.1 桥面
桥面是供车辆和行人直接走行的部分。

铁路桥面有钢轨和轨枕支承于纵、横梁系统的明桥面；有道碴槽板、道碴、轨枕、钢轨组成的道碴桥面；有钢轨直接联结于桥面板或主梁上的无碴无枕桥面。

1.2 主梁
主梁是桥梁主要承重结构，是桥梁上部结构的主体。

铁路桥的主梁,一般为两片。

小跨度的主梁间距不大,桥面可直接铺在主梁上。

也有采用多片主梁的。

主梁可做成实腹的板梁,杆件连成的刚架或桁架,主梁与桥面、联结系结合而成的箱梁。

1.3 支座
支座是桥梁上部结构的支承部分。

其作用是将上部结构的支承反力（包括竖向力、水平力）传递给桥梁墩台，并保证上部结构在荷载的作用和温度变化的影响下，具有设计要求的静力条件。

支座有活动支座和固定支座两种，可用钢、橡胶或一定标号的钢筋混凝土制作。

橡胶支座是一种新型支座，具有重量轻、高度低、构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉及安装方便等优点。

2 桥梁上部结构与桥台连接抗震设计
由于土结构瓦作用对桥台的地震反应影响的重要性，与桥跨内的排梁墩体比，它们的行为难以描述，从抗震现点看，这常常导致相当草率的考虑，桥台破坏很少导致桥梁的灾害性倒坍，不标准的桥台设计的后果是相当严重的。

2.1 整体连接
如果，桩承受重力荷载，当纵向地震力由被动土压力传到桥台的背墙时，由桩的侧向抗力承受。

容易意识到，由这种方法提供的同定程度会是难以确定的，并且驱动桥台或离开土壤的方向是不同的；反之，抗力低这种连接方式的细节更可靠，这是因为与受到桩的支撑基脚提供的固结程度有关。

桥台和上部结构间的整体联接细节对一两跨桥梁是合适的且很少适合大型桥梁，由于桥台刚度与跨内排架墩的刚度相比要刚些，常常假定所有的地震抗力由桥台提供．因此．跨内排架墩柱设计成只受重力，在柱顶和底部的潜在塑性铰区域应满足延性的细部要求以确保适当的位移能力。

通过将桥锁引入桥基础内，桥的可靠性取决于引桥路堤的整体性，这种方法值得特殊考虑，应该注意到这种桥梁结构在美国加州地震中记录到加速度反应水平高达到0.6 g，表现很好，通常，由于桥梁相对于地面位移小，在有效峰值地面的速度作用下假定桥梁作为一个刚性元件反应是充分的，桥台系统单元必须能抵抗由于反应水平产生的土压力。

2.2 引桥沉降
桥台后材料的沉陷在地震中是常见的。

虽然设计应采用合适的土工措施来避免，科学上的不确定性表明，进一步改进的措施是恰当的。

最有效的是在桥台背墙顶上采用沉降板并且引桥填充材料损坏、远离背墙端的沉降板下沉，沉降板能提供一个连接坡道使震后救援车立刻通过。

近年来，在地震中证明沉降板有非常有效的作用。

2.3 横向反应
横桥向反应的设计值得特殊考虑，因为或许不可能产生象纵桥向反应下被动土压力提
供那样大的拉力水平。

当采用支座支承的细节时，在上部结构与桥台间设置剪力键便于横桥向的剪力传递。

虽然这或许适合一两跨的短桥，但在长结构中由桥台相对于墩排架刚度高导致非常高的力传至桥台。

可以预见，在中等地震中剪力键损坏，因此普通采用两个分开的方案设计横向抗力系统，一种是在桥台处设置位移约束，另一种是没有位移约束，即相应于剪力键损坏的情况。

限制桥台损坏的代替方法，已应用在修复1994年Nonhridge地震破坏的桥梁设计，是通过伸缩缝将引桥结构与桥的端横梁分开并将它支撑在钻孔灌注桩上以便为桥台纵向和横向提供柔性。

对于短且刚性的排架，钻孔灌注桩在地面以下的一定距离内设置筒，桥台结构的柔性能调到跨内排架的刚度，从而调节响应避免破坏集中在一个部位。

3 上部构造型式
3.1 上部构造型式应与桥梁具体情况相结合，并综合考虑其受力特点和经济性。

在预应力混凝土连续皓线桥中，引起弯扭作用的力包括温度变化、混凝土收缩与徐变、预应力、梁体自重及活载。

平弯预应力在梁中产生水平径向力，径向力在竖直截面上的偏心对梁体产生扭转。

曲线桥除自重、预应力产生的扭矩外，汽车荷载的偏心布置及其行驶时的离心力在曲线梁上也产生向外偏转的扭矩。

因此，抗扭能力强的整体式闭合箱成为曲线桥的首选型式。

对于大跨径桥梁，采用悬臂浇注箱梁无疑是一种优选桥型。

但是，对于中等跨径桥，箱梁桥不论采取何种施工方式，费用都较高，与预制拼装多梁式T梁相比，处于弱势。

3.2 预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点。

其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。

但对于曲线桥来讲，T梁为开口式断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差。

曲梁的弯扭作用对下部产生的不平衡力大。

当曲线桥的弯曲程度较小时．曲线T梁桥采用直梁设计．以翼缘板宽度调整平面线性，可减少曲梁的弯扭作用．在一定程度上弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。

虽然直梁设置的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但却较曲梁小。

此外可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性能。

跨越沟谷常用的另一种桥型是拱桥，拱桥以其跨越能力较大，造价省。

常规拱桥的拱上建筑往往为简支结构，但作为高速公路．要求桥梁必须具有较好的结构整体性和舒适性。

为了适应高等级公路桥的要求。

拱上建筑可采用连续剐构体系．以提高结构的整体性。

曲线拱桥为了避免平曲线主拱肋局部应力的不利影响，在允许的范围内，可采用直拱肋、曲线形拱上建筑的构造设计。

4 桥梁上部结构扣件式模板支架稳定性设计
4.1 扣件式钢管脚手架具有施工装拆方便、尺寸组合灵活、经济实用、可重复使用的特点，是我国目前应用最广泛的一种脚手架形式。

我国自《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》发布实施以来，梁板模板支架采用扣件式钢管的越来越多，但是这类模板支架失稳倒塌事故还时有发生，究其原因，大多是由于支架在荷载作用下丧失了稳定性。

因此，许多文献认为对规范中的相关内容和条款应作进一步的明确和完善，他们在理论分析和试验研究基础上，得到了一些有益的研究成果。

4.2 支架稳定性设计
有些工程搭设的钢管支架属模板支架，这种支架的受力性能与脚手架支架有一定区别。

然而，目前我国对脚手架支架、模板支架均采用同一本规范。

我国规范采用相同公式对模板支架的稳定性计算是偏于不安全的。

4.3 支架稳定性计算
模板支架的受力性能类似于空间框架体系。

其稳定性计算最终归结于杆件计算长度的确定。

根据《规范》规定模板支架立杆的公式计算长度。

在采取相应的构造措施以确保支架体系成为“几何不可变杆系结构”的同时也可以参照其他方法对具体工程的支架体系进行
稳定性计算。

5 具体案例的桥梁上部结构设计
5.1 铁路客运专线桥梁上部结构设计
国外铁路客运专线以日本和欧洲德、法等国的情况具有代表性。

日本于1964年开始修建高速铁路新干线，设计速度210-260km/h ，到90年代末修建总长近2000km，在早期的新干线中，桥梁结构是钢结构与混凝土结构并存，后期的工程吸取了前期建设的经验，除高架桥和特殊工点外，逐渐趋向于更多地采用混凝土梁桥，跨度在15-45的双线混凝土T梁，主梁3-8 片不等。

1970-1980，德国、法国、意大利、西班牙等欧洲国家也先后修建了高速铁路。

以德国汉诺威—维尔茨堡和曼海姆—斯图加特两条新干线为代表，其桥梁几乎全部是预应力混凝土简支梁和连续梁，设计标准跨度平原区高架桥为25m,山谷桥为44m和58m，梁体形式均为单箱单室预应力混凝土箱形梁桥。

采用架桥机或膺架法施工。

从国内外经验来看，混凝土梁主要是T梁和箱梁两种形式。

我国既有普通铁路常用的分片式T梁，自重轻，架设方便。

但用于铁路客运专线则体量偏小，横向联系太弱，需要加大体量并在架设梁片后施加横向预应力，这又加大了施工难度制约了架设工期。

混凝土箱梁是国外高速铁路中最常用的形式，其形式简洁，外型美观，整体性好，刚度大，受力明确。

但自重大，制架施工难度大，需大型运架设备。