刚构桥的主要承重结构是梁与桥墩固结的刚架结构,由于墩梁固结,使得梁和桥墩整体受力,桥墩不仅承受梁上荷载引起的竖向压力,还承担弯矩和水平推力。刚构桥在竖向荷载作用下,梁的弯矩通常比同等跨径连续梁或简支梁小,其跨越能力大于梁桥;墩梁固结省去了大型支座,结构整体性强、抗震性能好。因此,预应力混凝土刚构桥是目前大跨径桥梁的主要桥型,最大跨径已达301m(挪威Stolma桥)。
刚构桥按受力体系可分为连续刚构桥、斜腿刚构桥、门式刚构桥和T形刚构桥等四种主要类型(图5.4)。刚构桥的主梁一般均需承受正、负弯矩作用,横截面宜采用箱型截面,连续刚构桥主梁受力与连续梁基本相同,横截面形式和尺寸与连续梁也基本相同。
图5.4 刚构桥的类型
1 连续刚构桥
连续刚构桥[图5.4(a)],属于多次超静定结构,在大跨连续刚构桥中,由于体系温度变化、混凝土收缩等作用将使梁产生较大的纵向变形(伸长或缩短),从而导致墩顶产生较大的水平位移。为了减小墩顶水平位移产生的墩顶水平推力、墩底弯矩及结构中的其他附加内力,在设计中一般应减小墩顶的水平抗推刚度。因此,对于墩高较矮的连续刚构桥,通常采用水平抗推刚度小的双肢薄壁墩,高墩连续刚构桥则可采用双肢薄壁墩或单肢薄壁墩。
对于多跨连续长度很长的桥,为了减小桥墩对梁纵向位移的约束作用及其在结构中产生的附加内力,往往在两侧的一个或多个边跨上设置滑动支座,成为刚构-连续梁组合体系桥[图5.4(b)]。
连续刚构桥主梁连续无缝,行车平顺,特别适合于悬臂法施工,并且高墩的柔性有利于减小温度变化产生的墩顶水平推力等结构附加内力。因此大跨预应力混凝土连续刚构桥是跨越深谷、河流的合理桥型。已建的湖北龙潭河大桥,跨径布置为(106+3×200+106)m,最高墩达178m,为目前国内外连续刚构桥中桥墩最高的桥。
2 斜腿刚构桥
刚构桥的主墩斜置,称为斜腿刚构桥[图5.4(c)],属于超静定结构。在竖向荷载作用下斜腿底端除承受竖向反力外,还存在较大的水平推力。由中跨主梁与斜腿组成的部分,相当于折线形拱桥,其压力线接近于拱桥,因此受力状态也接近于拱桥,斜腿与中跨主梁均承受较大的轴向压力。温度变化与收缩等将使斜腿刚构桥产生较大的附加内力,为了减小这种附加内力,一般在斜腿底部设置铰支座。由于斜腿施工难度大,斜腿与主梁连接处构造及受力较复杂,一般需在斜腿底部设置永久性铰支座等原因,这种桥型一般用于中小跨径桥(跨线桥或跨越深谷),大跨径桥不常采用。
3 门式刚构桥
门式刚构桥[图5.4(d)]在竖向荷载作用下,梁的跨中弯矩值比相同跨径的简支梁小,可以降低跨中建筑高度、增大桥下净空。但是,墩柱受力严重不对称,即使在结构自重作用下,墩柱也产生较大的弯矩,从而使得主梁与墩柱相连接的节点部位受有很大的外缘受拉弯矩。节点外缘混凝土产生较大的拉应力,内缘混凝土产生较大的压应力,对于钢筋混凝土结构,节点往往容易产生裂缝。因此,这种桥型仅适用于桥下净空受到限制的小跨径跨线桥,并且目前较少采用。
4 T形刚构桥
T形刚构桥有跨中带挂孔和设剪力铰的两种基本形式[图5.4(e)、(f)]。混凝土T形刚构桥是20世纪50~70年代曾经使用的一种桥型,属于静定或低次超静定结构,其受力特点是长悬臂体系,除挂孔以外,主梁以承受负弯矩为主;在混凝土徐变与车辆荷载共同作用下悬臂端的挠度较大,从而在悬臂端和挂梁(或剪力铰)的结合处形成折角,不仅导致伸缩缝与剪力铰容易损坏,且车辆在此跳动,行车不适;由于跳车影响,对桥梁动力冲击作用较大,使得结构受力不利,桥面容易开裂损坏;因此,这种桥型目前已较少使用。