桥梁工程概论：总体布置与构造特点

1.平面布置

桥梁的平面布置方式通常有正交、斜交、单向曲线和反向曲线等几种，见图2.4。

连续梁由若干梁跨（通常为3～8跨）组成一联，每联两端留出伸缩缝并设置伸缩装置，整座桥梁可由一联或多联组成。每联跨数的增加对结构受力和行车有利，但会增加桥梁设计和施工的难度，也对伸缩装置提出了更高的要求。英国奥韦尔连续梁桥采用18跨一联，连续长度1286m；我国钱塘江二桥的18跨一联，连续长度达1340m。

2.立面布置

立面布置包括结构体系、结构分跨、梁高选择以及相应的下部结构和基础型式确定等。现按等高连续梁、变截面连续梁和连续刚构体系等分述如下。

（1）等高连续梁

“等高”指梁高保持不变，大部分梁段采用相同截面，在支点处的截面尺寸通常会有所调整。连续梁桥采用等高布置，具有构造、制造和施工简便的特点。等高连续梁适用于中等跨度（一般40～60m）的、一联较长的桥梁。梁段（跨）施工可采用预制装配或就地浇筑。从施工的角度讲，对中等跨度的长大桥梁，无论采用预制装配还是就地浇筑的施工方法，均可使用建桥设备（如架桥机、移动支架、移动模架等）逐跨完成全桥的施工。这样，就可以取得良好的经济效益。

国内外采用等高连续梁结构的公路桥例较多。例如，美国1980年建成的长礁（Long Key）公路桥，全长3701m（35.6m+36×101m+35.6m），跨度36m，梁高2.1m，单箱单室截面，采用逐跨拼装的方法施工；我国1991年建成的厦门高集海峡（公路）大桥，全长2070m（8×45m+8×45m+12×45m+10×45m+8×45m），跨度45m，箱形截面，采用逐跨现浇的移动模架（movable formwork）法施工。另外，国外常从桥梁美观（线条简洁）和施工简便的要求出发，设计较大跨度（100m以上）的等高连续梁桥跨越宽深的山谷。例如，德国的科查塔（Kochertal）桥，主跨布置为81m+7×138m+81m，采用悬臂浇筑及拼装方法施工，见图8.1。

图8.1　德国科查塔（Kochertal）桥

我国高速铁路桥梁中，为提高整体刚度，有利于高速运营，采用了多种规格的中小跨度等高连续梁标准设计，包括3×20m、2×24m、3×24m、2×32m、3×32m、4×32m、2×40m、（32＋48＋32）m、（32＋40＋32）m、（40＋50＋40）m、（40＋56＋40）m等，后三种为连续结合梁，其余为预应力混凝土梁。

等高连续梁的分跨可按等跨或不等跨布置。通常对大部分孔跨采用等跨布置，以简化构造，统一模式。跨度大小主要取决于经济孔径和施工条件。当标准跨度不能满足通航或桥下交通要求而需加大个别孔跨的跨度时，常采用保持梁高不变而调整支点处截面尺寸和增加预应力钢筋的方式解决。这样可使桥梁的立面仍协调一致，也减少了构件及模板的规格。当标准跨度较大时，为减少边跨正弯矩，可将边跨跨度适当减小，边跨与中跨的跨度比一般为0.6～0.8。

梁高的选择与跨度有关。通常，等高公路连续梁桥的高（度）与跨（度）之比h/L 为1/25～1/15。当采用顶推法施工时，还需要考虑顶推法施工时对结构的附加受力要求，此时高跨比h/L选1/15～1/12为宜。对干线铁路桥，h/L为1/18～1/16。

（2）变截面连续梁

对梁高按某一规律变化的连续梁，习惯上称其为变截面连续梁。当桥跨增大时，在荷载作用下，连续梁桥的中间支点截面处将承受较大的负弯矩。从绝对值来看，支点负弯矩远大于跨中正弯矩。这样，采用变截面梁（支点处梁高增大，跨中处梁高减小，其间按曲线或折线过渡）更能适应结构的内力分布规律。另一方面，大跨连续梁常采用悬臂法施工，而变截面梁成桥时的恒载受力状态又与其悬臂施工时的内力状态基本吻合。因此，大跨度预应力混凝土连续梁桥多采用变截面布置。从统计资料看，我国跨度大于100m的公路混凝土连续梁桥，90% 以上选用变截面；跨度大于64m的干线铁路（包括高速铁路）混凝土连续梁桥，基本上采用变截面形式。

变截面梁的梁高变化规律可以是斜（直）线、圆弧线或二次抛物线。因二次抛物线的变化规律与连续梁的弯矩变化规律基本相近，故常用。在边跨端部的梁段，常采用直线布置。除梁高变化外，对箱形截面，还可将其底板、腹板和顶板做成变厚度，以适应梁内各截面的不同受力要求。

公路变截面梁的高跨比 h/L，中跨跨中截面可取1/30～1/50，中支点截面可取1/25～1/16，支点截面与跨中截面高度之比为2.0～3.0；铁路桥梁宜取较大的比值，支点截面可取1/16～1/12，支点截面与跨中截面高度之比为1.5～2.0。边跨与中跨的跨度比在0.5～0.8内变化，采用悬臂法施工时宜取较小值。比值过大，会导致边跨正弯矩分布不合理；而比值过小（0.5以下），梁端支点可能发生负反力，需要设置构造复杂的拉力支座。

现举两桥例如下。我国云南六库怒江公路桥为三跨预应力混凝土箱形截面连续梁桥，跨度85m＋154m＋85m；支点截面梁高8.5m，跨中截面梁高2.8m，梁底按二次抛物线布置；腹板厚度保持为0.44m，底板厚度从支点处的1.2m减小到跨中的0.3m，顶板厚度从支点处的0.43m减小到跨中的0.18m。山西翼城侯月线海子沟铁路桥为四跨预应力混凝土箱形截面连续梁桥，跨度63m＋2×84m＋63m；支点截面梁高6.5m，跨中截面梁高3.8m，梁底按二次抛物线布置；腹板根部厚度为0.8m，分段渐变至跨中的0.45m，底板厚度从支点处的1.4m，分段渐变至跨中的0.45m，顶板厚度保持0.35m不变。

尽管变截面梁在构造和施工上要复杂一些，但其外形流畅、节省材料并可增大桥下净空，常常是较大跨度混凝土梁桥的优选方案。

（3）连续刚构体系

连续刚构体系在构造上分为跨内梁部设铰和梁部连续两种类型。目前的连续刚构体系基本上采用后者。连续刚构体系也可称为具有墩梁固结的连续梁桥。桥梁中的墩梁固结部分通常在需要布置大跨、高墩处采用。从结构适应位移的角度看，连续刚构体系利用高墩的柔度来适应结构由预加力、混凝土收缩徐变和温度变化等引起的纵向位移，即把高墩视为一种可摆动的支承体系。边跨桥墩因墩高较矮，相对刚度增大，当其不能起到摆动作用时，需在桥墩的顶部或底部设铰，以适应纵向位移。

若桥梁的连续长度过大，桥端的几个桥墩会因温度影响产生较大的水平位移，桥墩受力不利。此时可在中间区段采用连续刚构，两边区段采用连续梁，同时保持梁部连续。这样，连续刚构体系演变成刚构—连续梁的混合体系。具体的桥例包括重庆黄花园大桥、东明黄河大桥等。

连续刚构体系的主要特点表现在以下几方面：

① 墩梁固结有利于悬臂施工，且可减少大型支座及其养护维修和更换。

② 在受力方面，上部结构仍表现出连续梁特点，但必须计入由于桥墩受力及混凝土收缩徐变和温度变化引起的变形对上部结构的影响；因桥墩具有一定柔度，与T形刚构桥相比，其根部所受弯矩很小，而在墩梁结合处仍有刚架受力特点。

③ 在构造方面，主梁常采用变截面箱形梁，桥墩多采用矩形和箱形截面的柱式墩或双薄壁墩；在连续刚构两端设置的伸缩装置应能适应结构纵向位移的需要，同时，端部需设置控制水平位移的挡块，以保证结构的水平稳定性。

澳大利亚门道（Gateway）桥全长1627m，主桥为三跨预应力混凝土连续刚构体系，中跨260m，见图8.2。主梁为变高度单箱单室截面，桥墩处梁高15m，跨中处梁高5.2m，腹板和底板为变厚度；主墩采用双薄壁式墩，两壁中距11m，每壁厚2m；边跨在离引桥墩15m处与引桥铰结，并在铰结处设置伸缩缝；采用悬臂浇筑法施工。

图8.2　澳大利亚门道桥的总体布置（尺寸单位：m）

我国南昆线清水河桥（图8.3）的主跨布置为72m+128m+72m预应力混凝土连续刚构，主跨128m。梁体为单箱单室变截面箱梁，桥墩处梁高8.8m，跨中处梁高4.4m。梁体下缘除中跨中部34m和边跨端部各25.7m为等高直线段外，其余为 R=212.314m的圆曲线。箱梁顶板宽8.1m，箱宽6.1m；腹板厚度0.4～0.7m，底板厚度0.4～0.9m，顶板厚度0.5m。梁体采用C50预应力混凝土，按三向预应力设计，悬臂浇筑法施工。

图8.3　南昆线清水河大桥的总体布置（尺寸单位：cm）

连续刚构体系的基本受力特点可归纳为：

① 随着墩高的增加，连续刚构的墩顶以及跨中梁部弯矩趋近于连续梁。

② 墩的轴向力和墩底弯矩随墩高的增加急剧减少。

③ 两墩之间的梁部所受到的轴向力随墩高的增加而急剧减少。

因此，连续刚构的梁的高跨比h/L等设计参数可参照连续梁桥取值（适当偏小）。对带双薄壁墩的连续刚构体系，其梁部弯矩与双薄壁的截面尺寸和间距有较大关系，梁高选择时应考虑到这一因素。

（4）带V形墩或V形支撑的连续梁体系

为适当增加连续梁的跨越能力、节省材料，还建造过一些带V形墩或V形支撑的连续梁。与连续刚构体系中的双薄壁式墩类似，其力学作用在于削减墩顶的负弯矩（在连续梁中间支点处沿桥纵向布置两排支座，也可起到削减墩顶的负弯矩的作用），在外观上也显得轻巧别致。这样的桥例有桂林雉山漓江公路桥（主跨95m，V形墩）和南昆线南盘江桥（V形支撑，建于桥墩之上）等。

3.横截面布置

预应力混凝土连续梁桥可选用的横截面形式较多，一般应依据桥梁的跨度、宽度、梁高、支承体系、施工方法等确定。

（1）板、肋式截面

图8.4所示为板、肋式截面形式。空心板截面常用于15～30m 的连续梁桥，板式截面多采用混凝土现浇施工方法。肋式截面的常用跨度也在15～30m，常采用预制架设施工，并在梁段安装完成之后，经体系转换形成连续梁。(www.xing528.com)

板、肋式截面的特点是构造简单，施工方便，适用于中、小跨度的连续梁桥。

（2）箱形截面

箱形截面（box section）具有良好的抗弯和抗扭性能，是预应力混凝土连续梁桥的主要截面形式。箱形截面习惯上用箱数和室数来进行划分。一个“单箱”指的是由顶板、底板和两侧腹板组成的闭合框架；若在单箱中增设一腹板，就把单箱分割成两个“单室”。图8.5示意几种常用的箱形截面形式，从上到下，分别为单箱单室截面、单箱双室截面和单箱多室截面。除此之外，还有双箱单室、双箱双室、多箱单室、多箱多室等形式。每一类截面形式都大致有其梁高和桥宽的适当取值范围。一般而言，箱数和室数越多，适应的桥面宽度越宽。

图8.4　常用板、肋式截面形式

图8.5　常用箱形截面形式

箱形截面的顶板和底板是结构提供抗弯能力的主要部位。当采用悬臂施工方法时，梁的底板（特别是靠近中间支点处者）将承受很大的压应力。为适应受压要求，底板设计成变厚度。根部厚，通常取墩顶梁高的1/12～1/10；跨中薄，其尺寸受跨中布置的预应力钢筋和普通钢筋的控制，一般在0.2～0.3m。箱梁顶板由于受车辆荷载的直接作用，其厚度的取值要考虑两个因素：一是要满足桥面板横向抗弯的要求，二是要满足纵向力筋布置的要求。一般，当两腹板间距增大时，顶板厚度也要相应增大，一般不小于跨径的1/30。箱梁腹板主要承受结构的弯曲剪应力以及扭转剪应力引起的主拉应力。对大跨度连续梁，腹板厚度一般在跨中较薄，在支点处较宽（以承受梁部支点处较大的剪力）。除满足抗剪要求外，腹板的最小厚度还应考虑钢束管道布置（包括锚固尺寸）以及混凝土浇筑的要求。

在箱梁腹板与顶、底板结合处需要设置梗腋（或称承托，倒角）。梗腋布置的方式不一，视具体情况确定。梗腋的作用在于：加强各板之间的联系，提高截面的抗扭和抗弯刚度，减少扭转剪应力和畸变应力；使力线缓和过渡，减少次应力；提供一定空间来布置预应力钢筋；减少顶、底板的横向宽度以便适当减薄顶、底板厚度。

为方便纵向预应力张拉锚固，还需要在顶、底板设置用于将预应力钢筋引出梁体的混凝土锯齿块。锯齿块的设置依预应力钢筋的布置而定。

图8.6所示为几座桥梁的横截面。其中，图（a）为我国茅岭江铁路桥（单线，48m＋80m＋48m连续梁）的梁部截面（较低部分表示一半跨中截面，较高部分表示一半根部截面，其余同）；图（b）为日本锦町铁路桥（双线，44m＋88m＋44m连续梁）者；对铁路桥梁，桥宽有限，多为单箱单室，各部尺寸的取值较公路桥者为大，是其特点。

图（c）和（d）分别取自广东洛溪大桥（65m＋125m＋180m＋110m，连续刚构，两箱梁并列）和美国休斯敦运河桥（114m＋229m＋114m，连续刚构）。对公路桥，桥宽大致在15到20m范围内，可采用单箱单室或单箱双室截面。另外，斜置的腹板可减小底板的横向宽度，也相应减小了桥墩及基础尺寸。图（e）取自丹麦瓦埃勒湾（Vejle Fjord）公路桥（跨度为110m的多跨连续梁），主梁为单箱单室，但为适应桥宽需要且增加桥面刚性，在箱梁顶板及悬臂板下每隔6.88m设一厚0.5m的横向加劲肋。图（f）取自德国的科查塔（Kochertal）桥（主跨布置为81m＋7×138m＋81m，等高度连续梁），其截面由单箱、斜撑和悬臂板组成，形成宽度达30m的桥面。对宽桥，还可将两个（甚至多个）箱梁平行并列布置（称为分离式箱形截面），两箱梁邻近顶板端部可设置分车带等构造。图（g）为主跨137.2m的美国松谷河公路等高度连续梁桥的截面布置。图（h）所示的奥地利新帝国公铁两用桥（主跨布置为87.9m＋169.4m＋150.0m＋60.4m＋60.4m连续梁）主梁截面是充分利用箱梁空间的一个例子。该桥桥面设汽车6车道，箱内设置地铁，两箱之间的间隔带内铺设缆索管道等设施，箱体下部外侧设置人行道和自行车道。

（3）横隔板

前已述及，由多个 T 形或工字形组成的截面，其横截面的抗扭刚度较小，为增加桥梁的整体工作性能，一般需沿梁长设置一定数量的横隔板（或称横隔梁）。横隔板的数目和位置依主梁的构造和跨度大小确定，通常设置在支点处、跨中和1/4跨径处，见第五章。对连续梁桥，早期的做法是借鉴T梁桥的布置方式，见图8.7。

考虑到箱形截面的抗弯和抗扭刚度较大，除在各支点处设置横隔板外，没必要设置中间横隔板。目前的趋势是少设或不设中间横隔板，以减少其施工的麻烦。例如，我国云南怒江大桥只在两中间支点处各设置一道横隔板。对于多箱截面，为加强桥面板与各箱间的联系，常在箱间沿纵向间断设置横隔板。对采用双薄壁式桥墩的连续刚构，其梁内在墩顶的横隔板布置应与双薄壁式桥墩一一对应，参见图7.27。

为便于箱内施工和检查工作，需要在横隔板上开孔。因此，多数情况下横隔板不是一块实心板，而是与箱梁四壁连为一体的横向框架。横隔板的厚度一般按工程经验取值。

图8.6　实桥箱梁截面（尺寸单位：cm）

图8.7　横隔板一般布置（尺寸单位：cm）

4.预应力钢筋的布置

连续梁桥的预应力钢筋的分类，大致有以下几种。按力筋（strand）布置的走向，分为纵向力筋、横向力筋和竖向力筋。大跨度混凝土连续梁桥通常按此三向预应力设计。沿桥跨方向布置的纵向力筋也称为主筋，其数量和布筋位置要根据结构的受力状态确定。力筋按其空间位置，分为顶板筋、底板筋、腹板筋、平面筋、空间筋等；按其形状，分为直筋、弯筋；按其受力特性，分为正弯矩筋、负弯矩筋、抗剪筋等；按其使用时间长短，分为永久性筋和临时筋（为满足结构在施工阶段的受力要求而临时布置的力筋，在梁体内要预留其孔洞位置，施工完成后拆除）；按其布置在混凝土体内或体外，分为体内筋和体外筋；按其与混凝土是否存在黏结，分为有黏结筋和无黏结筋，绝大部分体内筋为有黏结筋，体外筋为无黏结筋。

（1）纵向力筋的布置

① 连续配筋

对采用就地浇筑施工的中小跨度等高连续梁桥，其纵向力筋可按照结构各部位的受力要求进行连续配筋。通常，力筋的重心线为二次抛物线组合而成的轨迹（图8.8（a））。力筋的具体布置可参考图8.8（b）所示，即力筋在支点附近分别由负弯矩区转向正弯矩区。

图8.8　等高连续梁的连续配筋

② 分段配筋

大跨度变截面连续梁桥通常采用平衡悬臂施工方法。施工从墩顶开始，向左右两方向分成若干节段（segment）对称进行。为了能支承梁体重力和施工荷载，需在每节段就位后对梁体施加预应力（负弯矩筋）；在一跨合龙后（称为体系转换），再张拉正弯矩筋和其他力筋。图8.9示意悬臂施工连续梁桥纵向力筋的一般构造，其中上图表示悬臂施工时张拉的力筋，下图表示体系转换后张拉的力筋。

一般，力筋在截面上应横向对称布置，尽量靠近顶、底板外缘；在支点和跨中截面处，力筋数量较多，可分层布置。为满足截面的抗剪要求和锚固方便，有些力筋需要下弯或上弯，并锚固于腹板或顶板。对锚固于顶、底板的力筋，有时需通过锯齿块引出。力筋的布置方式宜简洁明了，以便于设计和施工。

③ 逐段加长力筋

由于力筋供料长度、施工方法和结构受力等方面的原因，有时需要采用连接器把主筋对接或逐段加长。对逐孔施工的连续梁桥，其纵向主筋往往采用逐段接长力筋。接头的位置通常设置在离支点约1/5跨度附近弯矩较小的部位，见图8.10所示（图中数字表示力筋编号）。逐段加长力筋的方式也用于顶推法施工的连续梁桥和分段悬臂施工的混凝土斜拉桥梁部中。

图8.9　连续梁桥的分段配筋（尺寸单位：m）

图8.10　逐段施工连续梁桥的主筋接长

④ 体外布筋

体外布筋指把力筋布置在主梁截面以外的箱内，配以横隔板、转向块等构造，对梁体施加预应力。与常规的体内布筋相比，体外布筋无需预留孔道，减少了孔道压浆（grouting）等工序，提高了混凝土浇筑质量，施工方便迅速；减小了截面尺寸，由此减轻了结构重力并增加了跨越能力；钢束便于更换，钢束线形容易调整，减小了预应力损失；但对力筋防护和结构构造等的要求较高，抗腐蚀、耐疲劳性能有待提高。国外从20世纪20年代开始尝试体外预应力，在桥梁工程中应用较多（如美国的长礁桥和科威特的巴比延桥）。在节段预制拼装工法中的连续梁通常使用使用体外布置与体内布置相结合的方式。

（2）横向和竖向布筋

在箱梁结构中，若两腹板间距过大或悬臂板外挑过长，仅靠布置普通钢筋难以满足受力要求，就需要对箱梁顶板施加横向预应力，见图8.11。横向力筋可加强结构的横向联系，增加悬臂板的抗弯能力。另外，当腹板混凝土、普通钢筋、纵向下弯力筋等不足以抵抗荷载剪力时，就需要在腹板内布置竖向力筋。竖向力筋一方面可以提高截面的抗剪能力，另一方面也可以与悬臂施工配合，作为挂篮（见后）的后锚。横向力筋多采用钢绞线，竖向力筋多采用高强度螺纹钢筋。使用带有二次张拉功能锚具的钢绞线开始逐步推广，为提高竖向预应力的可靠性提供了新的途径。

图8.11　箱梁顶板的横向力筋（清水河铁路桥）（尺寸单位：cm）