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1、高速公路立交工程立交建筑是一座交通枢纽工程，它的体量、尺度，比例、线条、色调、对比、协调以及与周围环境的相互关系等，为立交建筑美学与景观设计提出了研究课题。第二节立体交叉的作用与组成一、立体交叉的作用1单个立体交叉在道路网中，各种道路纵横交错，必然会形成许多交叉口，交叉口是道路系统的重要组成部分，是道路交通的咽喉。交汇道路的各种车辆和行人都要在交叉口汇集、通过和转换方向，由于它们之间的相互干扰，会使行车速度降低，阻滞交通，通行能力减小，也容易发生交通事故。采用立体交叉是解决平面交叉口交通问题最彻底的方法。进出交叉口的车辆，由于行驶方向的不同，车辆与车辆之间的交错方式也不相同，可能产生的交错点的
2、性质也不一样。其中，以直行与直行、左转与左转以及直行与左转车辆之间所产生的冲突点对交通的干扰和行车的安全影响最大。因此，在交叉口设计中，应尽量采取措施，减少或消灭冲突点。在交叉口采用立体交叉，是消灭冲突点最有效的措施。它将相互冲突的车流从通行空间上分开，使其互不干扰，为高速、安全、大量行车提供了可靠保障。据调查，设置立体交叉后，行车速度和通行能力，要比相同规模的乎面交叉口提高25-3倍。城市道路上采用立体交叉，还可以使行人和非机动车之间以及二者与机动车之间，最大限度地减少或消除干扰，既保证了机动车的行驶速度，又保证了行人和非机动车的安全。同时，采用立体交叉，可以不设置交通信号灯或交通警指挥，减
3、少了交通管理费用。另外，对设计新颖、施工先进、绿化良好的立体交叉，也可以作为某地区或某城市的代表工程，反映建设的成就、现代化的气氛，或作为一种人工构造的景观，来点缀环境。2高速公路上的立体交叉高速公路是社会经济发展的必然产物。作为高速公路出入口的立体交叉是高速公路的门户，只有通过这些立体交叉才能出人高速公路。因此，立体交叉在一条高速公路上起着吞吐交通流量的作用，而交通流量的大小又直接关系到修建高速公路的经济效益。立体交叉又起着梳理及控制车流的作用，通过高速公路出人口的立体交叉使全部车流渠化并控制出人，这是高速公路营运安全的关口。因此，出人口处的立体交叉在高速公路上处于十分重要的地位。高速公路是
4、全封闭的，其正线本身通过某一区域时，对该区并无实际意义，只有高速公路出入口的立体交叉设在哪里，那里才有重要的意义。高速公路出入口附近的地区受益最高。据调查，日本有肋的先导产业分布在高速公路的出人口附近，其产品和原材料几乎全部通过高速公路运输。这是因为出入口处为交通中心，运输十分方便。另外，因沿线产业以及配套设施的建立，也会促使区域人口的就业问题得以解决，使经济发展更加活跃。二、立体交叉的组成立体交叉通常由跨线构造物、正线、匝道、出人口以及变速车道等部分组成图1-10立体交叉的组成1，跨线构造物：指跨越被交道路的跨线桥(上跨式)或穿越被交道路的路堑(下穿式)，是立体交叉实现车流空间分离的主体构造
5、物。2正线：指各交汇道路的直行路段本体，是组成立体交叉的主体。根据交汇道路等级，正线可分为主要道路(简称主线)、一般道路或次要道路(简称次线)。3匝道：是指专供正线转弯车辆行驶的连接道，有时也包括匝道与正线或匝道与匝道之间的跨线桥(或路堑)，是立体交叉的重要组成部分。按其作用可分为右转匝道和左转匝道两类，供右转弯车辆行驶的为右转匝道，供左转弯车辆行驶的为左转匝道。4出口与人口：由正线驶出进入匝道的道口为出口，由匝道驶入正线的道口为人口。5变速车道：为适应车辆变速行驶的需要，而在正线右侧的出人口附近增设的附加车道。按其功能可分为减速车道和加速车道两种，出口端为减速车道，人口端为加速车道。6辅助车
6、道：在高速公路立体交叉的分、合流附近，为使匝道与高速公路车道数乎衡和保持正线的基本车道数而在正线外侧增设的附加车道。7匝道的道口：是指匝道两端分别与正线的连接部，它包括出入口、变速车道和辅助车道等。8绿化地带：在立体交叉范围内，由匝道与正线或匝道与匝道之间所围成的封闭区域，一般采用以美化环境的绿化栽植，也可布设排水管渠、照明杆柱等设施。9集散道路：在城市附近，为了减少车流进出高速公路的交织和出人口数量，可在立体交叉范围内正线的一侧或两侧设置的与其平行且分离的专用道路。立体交叉的范围，一般是指各交汇道路变速车道渐变段顶点以内所包含的正线、跨线构造物、匝道和绿化地带等的全部区域。除以上主要组成部分
7、外，也包括立体交叉范围内的排水系统、照明设备以及交通工程设施等。对城市道路立体交叉还应包括人行道、非机动车设备以及交通工程设施等。对城市道路立体交叉还应包括人行道、非机动车和各种管线设施等。对于收费立体交叉也包含收费站、收费广场和服务设施等。三、公路立交与城市道路立交的特征对公路立体交叉和城市道路立体交叉，它们的作用、主要组成部分和设计方法方面是基本相同的。但由于受地形、地物、用地以及收费制等条件的影响，使得二者之间又有一些区别，设计的主导思想有差异。了解它们之间的不同特征，对于指导立体交叉的规划与设计具有非常重要的意义。概括起来，公路立交和城市道路立交的不同特征表现在以下几方面：1公路上一般
8、为收费立交，可供选择的形式较少；而城市道路上的立交一般不收费，可供选择的形式较多。因此，城市道路立交形式多样，可结合场地条件充分发挥设计者的主观想象力，在满足交通功能的前提下，设计出新颖、美观的立交形式。2公路立交无须考虑行人和非机动车交通，立交形式简单，以二层式为主；而城市道路立交需考虑行人和非机动车交通，立交形式复杂，以多层桥梁抗震设计与加固算以确保侧向荷载的受力构件能足以抵抗侧向地震力(参阅134节)。也就是说，侧向荷载的受力构件是基于1，33节的能力设汁原理设计的?伸缩缝的设计与上述混凝土上部结构的设计原理是相同的，需要特别注意的是，必须确保伸缩缝的侧向传力构件的设计假设是符合实际的，
9、并能提供最好的抗震性能且在上秆实践中能够实现，如果没计不好则会导致相应构件在该关键传力区屈曲。最近几年，在高烈度区的大中跨桥梁已采用钢箱截面。这些箱梁可以与现浇混凝寸：桥面板结合形成组合抗弯截面以承受恒载和活载，或者形成斜拉桥或悬索桥的桥面来传递活荷载；无论是哪种情况，桥道板和支撑系统必修能将横向地震力传到支承上。由：卜钢桥具有比混凝土桥轻的特点，因此用钢结构来等效代替混凝土上部结构通常会产生较小的地震惯性力：这样，下部结构可采用较小尺寸的构件从而使造价降低。这种节省常常町以补偿由十上部结构用钢导致的成本增加、附加的复杂性以及上下部之间联系有效作的降低。33抗震设计方案比选331上部结构与桥墩
10、的连接在概念设计阶段，桥梁上部结构与墩的连接主要有两种方法：上部结构可以建成带有抗弯连接如图310(a)或者用支座支承如图310(b)。这两种选择与抗震性能以及设计力的水干关系极大，下面讨论它们的优缺点。(a)抗弯连接(b)支座支承图310上邵结构与桥墩8g垤援9抗弯硅捿这种连接通常只适用于混凝土上部结构，预应力或者是普通钢筋混凝土上部结构由混凝土下部结构支承。虽然钢上部结构与钢下部结构做成抗弯连接在理论上至少是可能的，但在地震区我们还没有任何这样的例子。优点下部与上部整体连接图310(a)最适合于较细长的桥墩或小跨桥梁。这种连接的抗弯能力在抵抗侧向力，特别是对纵桥向反应，能产生附加的超静定潜
11、力。假定墩(柱)底弯曲固结，在强震作用下，与支座支承的连接比较在墩(柱)顶部的潜在塑性铰产生一个附331上部结构与桥墩的连接在概念设计阶段，桥梁上部结构与墩的连接主要有两种方法：上部结构可以建成带有抗弯连接如图310(a)或者用支座支承如图310(b)。这两种选择与抗震性能以及设计力的水干关系极大，下面讨论它们的优缺点。(a)抗弯连接(b)支座支承图310上邵结构与桥墩8g垤援9抗弯硅捿这种连接通常只适用于混凝土上部结构，预应力或者是普通钢筋混凝土上部结构由混凝土下部结构支承。虽然钢上部结构与钢下部结构做成抗弯连接在理论上至少是可能的，但在地震区我们还没有任何这样的例子。优点下部与上部整体连接
12、图310(a)最适合于较细长的桥墩或小跨桥梁。这种连接的抗弯能力在抵抗侧向力，特别是对纵桥向反应，能产生附加的超静定潜力。假定墩(柱)底弯曲固结，在强震作用下，与支座支承的连接比较在墩(柱)顶部的潜在塑性铰产生一个附加的耗能位置。在纵向反应中，这种连接将使墩(柱)产生双向弯曲，对于给定墩(柱)截面尺寸和钢筋含量，增加了纵向抗剪能力。如果墩柱排架在横向是由多根柱组成，那么这些柱无论在纵向还是在横向均是双向弯曲：如果抗弯连接是在柱的底部，则柱在纵向和横向均具有相同的刚度。这样就出现了抗震设计的最佳条件：各个方向的抗震能力是相同的，这就是采用圆柱的原因。对于多柱排架，采用顶端固定的连接方式也允许设计
13、者考虑选择柱底铰接的连接方式。这种选择的详细讨论如335节所述。整体连接的另一个优点就是它对地震位移的大小不敏感，除非位移大的影响到柱顶塑性铰的转动能力和连接强度。缺点由于柱和上部结构的弯曲连接，在纵向地震反应中，上部结构将产生地震弯矩。这些会与恒载的弯矩叠加产生上部结构的控制设计条件。这个控制设计工况通常是当地震弯矩沿柱面处反对称并且大小超过恒载弯矩时的情况，如图311所示。为了承担这些弯矩，在梁的底部需要布置特殊的纵向钢筋。如果上部结构较宽且由独柱式排架支承，上部结构抵抗纵向地震的有效宽度或许大大小于截面的宽度，从而使问题更加恶化。纵向地震反应的有关细节将在第57节讨论。柱与上部结构的整体
14、连接也对连接加上特殊要求。柱的大直径纵向钢筋或许需要在较浅的盖梁中锚固，由于上面铰钢筋稠密，设计者喜欢由直钢筋伸进盖梁而终断，但较理想的是钢筋应弯曲通过这个铰，如图310(a)中的钢筋(。)：常常发现这样的锚固不符合标准规程有关长度的要求。553节表明，不保守的锚固长度的确定通常可以通过节点内力的传递力学分析并通过大尺寸摸型的试验验证来确定。(c)地哗矩市)(d)D+E弯矩图311上部结构和柱弯曲连接时上部结构的纵向弯矩即使要求的固结长度可以由柱子伸出的直钢筋来提供，但仍存在其它问题。如果在柱子钢筋的顶部和上部结构的顶部钢筋之间留有空隙以使施工方便，那么从柱的拉力钢筋传递拉力到上部结构顶部拉力
15、钢筋的机理是不连续的，牢靠程度是可疑的，况且节点区域受到节点剪力的水平高，通常要求特殊的竖向和水平节点剪力钢筋，如图310(a)所示。节点剪力钢筋设计方面的细节将在54中讨论。如果上部结构是由独柱排架支承，横桥向的反应是一个简单的悬臂梁作用，而纵向反应则与柱的抗弯有关。如在133节有关能力设计原理的初步例子所讨论的，除非柱的截曲做成矩形且长边在横向，否则会导致一个无效的下部结构。柱子截面考虑将放在334节。纵向和横向的力不平衡也适用于基础设计。对于联成整体的墩与上部结构设计，由于温度和收缩产生的纵桥向位移必须由柱绕横向轴的弯曲来调节+因为由于这些影响产生作用于柱体的位移是与两伸缩缝间的距离成正
16、比的，因此伸缩缝的间距设置或许应比滑板支承的连续梁桥更近些，尤其是对桥短且墩刚的情况!总之，墩上部结构固结设计概念明显只适合于连续上部结构的设计：对于比采用预制标准梁截面更经济的简支跨，这个概念是不合适的。b支座支承的上部结构上部和下部结构之间的支座可以设计得只允许上郎结构转动，或也可以允许在一个或几个方向平动。最常用的转动支座或许是盆式支座，而平动可以是板式橡胶支座、聚四氟乙烯滑板支座不锈钢支座或者摇摆支座。通过支座的侧向力决定支座的设计且决定横向位移是否需要剪力键来限制。摇摆支座几乎不承受纵向力且如果纵向相对位移超过摇摆支座的设计能力是不稳定的。滑板支座相应温度变形的低变位移率摩擦系数是非
17、常低的，在地震变位率作用下有较大的摩擦系数，通常10左右。实际数值取决于支座正压力和相对位移的速度参看621(c)，力与位移的关系可用库仑阻尼来描述。板式橡胶支座提供的抗力是与位移成正比的，刚度可以通过选择支座的尺寸和橡胶的厚度有一个宽的调整范围。有关详细的情况可以参考手册以及有关桥梁支座的国际会议论文集3，J4。下面简要讨论支座支承的上部结构的优缺点。优点或许采用支座的最大优点是上部结构不受到通过墩柱传来的地震运动。正因为这样，对于抗弯连接的上部结构截面形式可以选择的做法就不适合了。这些包括简支梁桥和梁板结构。上部结构和排架之间通过柔性支座隔离导致固有周期从相应用固结的周期了”增至支座体系厂
18、。如图312，如果初始周期低且反应谱随周期增长下降快，弹性反应加速度水平会有一个非常大的减少即从且点到B点。这对于岩石场地是较适合的。如果采用允许纵向相对位移的支座，伸缩缝间较长连续上部结构是可能的。如果支承系统是单柱排架系统，那么在纵向和横向的反应是基本的竖直悬臂的行为。因此，为了使横向的抗力特性与方向无关，可采用简单的圆柱截面形式。这样不但简化了设计同时使柱设计更有效。采用支座给设计者在怎样抵抗地震和什么地方需要抵抗地震力方面提供了较大的选择余地、通过在上部结构和墩柱之间设置支座可以解决矮的刚性墩吸收过大地震力的问题。如果采用橡胶支座，可以通过调整墩顶支座的刚度来弥补不同桥墩刚度相差的问题
19、。因此，柔性墩可以设置刚性支座，反之亦然。缺点采用支座支承的上部结构其地震位移较整体连接的体系敏感。由于低刚度引入结构，峰值反应位移也可能大大增加，多柱式排架桥墩纵桥向象竖向的悬臂梁一样，但横桥向是双向弯曲变形，与前面提到的单柱与上部结构的抗弯连接不完全相同。对于这类结构不适合采用柱底铰接来减少基础地震力。对于软土地基情况，场地加速度反应谱峰值出现在周期相当长的区域，这时支座引起的周期飘移则会导致上部结构的加速度反应大大增加。图312中的反应值C和D分别为整体连接和支座连接的设计情况。如果采用延性柱设计，设计位移延性水平必须是受限制的以免超过构件延性要求。如9 LTB周期(sec)图312根据
20、加速度反应谱)i1知支座引起的周期漂移的重要性图313所示，若没有设置剪力键来限制支座横向位移，支座变形AB或许占屈服位移(厶、中比例高于50，由于随着塑性位移Ap的增加，柱的剪力基本上保持常数，Ap全部是由柱塑性铰的塑性转动产生的。柱的位移延性指数可以表达为厶。厶、Pac：1+十二l+(1)广(31)u5aaS其中d是结构位移延性系数(Pac：l+ApAr，As是单独由柱变形的屈服位移部分：因此，如果选择设计值户d；5，同时令户s：03户、和J9：07户、，方程31则表明柱体位移延性要求J。+：143，几乎是结构整体延性的三倍。很清楚，采用剪力键限制横向位移，上述横向反应的影响能大大减少，但
21、顺桥向的影响总是存在的。在这种情况下，如果是依赖结构的弹性反应同时(或者)依赖于返回到桥台的力，延性柱设计或许是不合适的。进一步的选择涉及到特殊耗能装置，下面作讨论。在极端地震作用下(即比设计水平大得多的地震)，由于上下部结构之间分离产生的附加联或许使桥梁更易破坏和倒坍，这是竖向加速度反应超过10(并且支座位移超过支座变形能力的结果。特别是在长持时地震作用下，上部结构支承在滑板支座上是可能产生大的残余位移，这是由于滑动支座缺乏恢复力特征，且不可避免使相对位移偏在一边的缘故。这种影响可以通过将滑动支座与有恢复力特性的板式橡胶支座或其它弹性支座装置组合使用来减少。c厢震止部结构用支座支承的上部结构
22、，为了减少位移的共振反应，可以选择特殊的抗震支座和耗能装置组合使用，这些系统包括高阻尼的特殊橡胶支座，或者加铅芯的普通橡胶支座，基于钢弯曲、扭转或剪切屈服的机械装置也已经应用，摩擦滑动支座与板式橡胶支座有组合的例子。有关这种支座的所有论述，包括合理的设计资料，将在第六章给出。优点与没有组合耗能装置的支座支承的设计相比，组合耗能装置通常会导致地震位移的减少，一般能减少20到40。若支座和隔震装置的侧向恢复力特性能精确知道，传到排架和基础的最大侧向力能够确定。依照133节的能力设计方法在534节更详细的发展后被应用能保证上部结构构件在设计地震水平作用下保持在弹性范围内，因此不会发生破坏：也应注意到
23、，这个方法也能用于没有耗能装置的支座支承设计。尽管这时设计地震位移不可避免要大，但设计力可以比采用耗能装置时更低-缺点注意到图312，在软土地基上，采用带有或小带耗能装置的支座支承设计，会进一步增加加速度反应。长周期结构很少会由于隔震大大减少反应-如果桥梁受到的地震反应水乎远高于设计预期的，侧向设计力增加，可能导致没有延性没汁的下部结构区域出现塑性铰。如以前联系图313所讨论的，即使是小的结构位移延性水平也会产生不能接受的大塑性转动，尤其是排架是矮且刚的情况。因而，即使采用了能力设计过程能保证下部结构均处在弹性反应阶段，建议在潜在塑性铰位置也还应考虑延性细节由于隔震和耗能装置是满足地震反应要求
24、的关键，因而必需作出定时检测、维修臣在大地震后更换的规定。地橙J田二-I位移(a)支座支堆的仁部结构(b)位移图图313支座变形对墩柱延性的影响与隔震器的设计特性有关，桥梁地震反应由于受到地震翻转或竖向加速度的影响，或许对作用在支座上的轴向力变化敏感，有些分析和震害现象表明采用板式橡胶支座的设计或许放大短周期的竖向反应，引起支座卸载，因而有效性受损，或者如果支座与上部结构和排架连接在一起且有竖向拉力出现时，橡胶层会撕裂。332上部结构与桥台连接由于土一结构互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。不幸的是，从抗震现点看，这常常导致相当草率的考虑，桥台破坏很少
25、导致桥梁的灾害性倒坍也有助于普遍流行这种观点。然而，象122节的例子，不标准的桥台设计的后果会是相当严重的。有许多联接上部结构和桥台的细节，合理的选择取决于场地条件，桥的规模、期望的位移以及全桥抗震方法等，图314示出了一些例子。a整体连接图314(a)和(b)是两种可选用的桥台与上部结构连接方法。第一种情况是桩承受重力荷载，当纵向地震力由被动土压力传到桥台的背墙，由桩的侧向抗力承受。容易意识到，由这种方法提供的固定程度会是难以确定的，并且驱动桥台或离开土壤的方向(a)桩帽桥台(c)座式桥台(b)刚性眶架桥台薄弱面(d)背墙构造图314桥台与上部结构纵向连接类型是不同的；在后一种情况，抗力低，
26、图314(b)表明，这种连接方式的细节更可靠，这是因为与受到桩的支承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，尽管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。通过将桥锁人引桥基础内，高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最近加州地震中尽管记录到加速度反应水平高达到06g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
27、分的，桥台系统单元必须能抵抗由于反应水平产生的上压力。b支座支承的止部结构代替整体连接是通过座式桥台提供支座支承上部结构的形式，如图314(c)和(d)。在第一种情况，在桥台背墙和上部结构之间提供一个小间隙以适应温度、徐变和收缩变形。在纵向地震反应时，当初始间隙闭合时在封闭方向提供高的刚度与拉力。在相反方向，刚度与抗力主要取决于支座特征，因此桥台设计受到在闭合方向产生的力控制。然而，难以设计桥台背墙抵抗这些力，并且背墙由于冲击和被动土压力产生的结构损坏通常能接受。一个可选择的细节，如图313(d)所示，使损坏最小同时导致更可靠的纵向反应特征。背墙的顶部带有弱平面，在强震作用下弱平面破坏。这样在
28、背墙和上部结构之间提供了一个大间隙，以允许设计纵向结构在每个方向不受阻。强震后，损坏易于观察和修复。c膈震的止部结构图314(d)所示的细节也适合隔震支座且通常与特殊耗能装置组合使用。应当注意，如果重要的力是通过支座传至桥台，当桥梁纵向在桥台上运动时，大部分力只由桩承受。d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。图315(9)所示典型座式桥台，其横向拉力主要由翼墙提供。在图示方向的加速度作用下，仅由右边的翼墙提供拉力，并且强度受到运动限制的同时在张开弯矩作用下可能受到角部细节的抗剪能力的限制。附加的抗力由支承台座的桩提供且对于横向抗
29、力依赖这些桩提供的抗力或许更好。如果桩组合考虑延性要求(参看565节)，这个支承系统可以设计得比相应弹性反应的力低。(a)翼墙提供抗力(b)带有后扶墙的背墙图315抵抗横向地震反应的桥台桥台的侧向抗力也能在背墙后利用后扶墙来增加，如图315(b)所示。这些后扶墙有加强背墙的纵向抗力以及作为侧向抗弯单元两种作用，因此可增加翼墙和桥台的抗力。当采用支座支承的细节时，在上部结构与桥台间常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
30、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：对于些情况，这种方法相当不良的是最大可行剪力键中力不确定的影响。然而如582节，采用能力设计方法合理确定，这些力是能描述的，即使柱有延性反应。因此如果采用剪力键，在设计水平地震作用下，有必要设计成保持能工作?限制桥台损坏的替代方法，已应用在修复1994年Norlhcdpe地震破坏的桥梁设i十，是通过伸缩缝将引桥结构与桥的端横梁分丌并将它支承在钻孔灌注桩上以便为桥台纵向和横向提供柔性。对于短且刚性排架(如图32中所讨论的)，钻孔灌注桩在地面以下的定距离内设置套筒，桥台结构的柔性能调到跨内排架的刚度。从而凋节响应避免破坏集中在个部位：e弓桥
31、沉障如12，2节所讨论的，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，但翼墙也由一小缝分开。沉降板3至5m长是普遍的。若引桥填充材料损坏，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。最近地震中沉降板有非常有效的作用(如E4)c333排架的构型331节以抗震的观点对单柱和多柱排架的优点已作；厂部分讨沦，参照图316可概括如下：s卓柱排架选旦：如果上部结构由支座支承，能够使得纵横向反应特征相等，以优化地震设计。然而，采用剪力键抵抗位移，横向纵向周期以及地
32、震力将是不同的。因为只有一个塑性铰，性能容易确定且精度高。采用柱与上部结构整体连接，结构和柱的延性要求是一致的。达盅：，采用柱与上部结构整体连接，地震设计弯矩横向比纵向大，a纵向剪切要求是重要的，如133节中能力要求例子所示的那样。考察图316，很明显柱的弯矩比多柱排架高。上部结构位移比多柱设计大。柱可能基底固结，导致大的弯矩传至基础结构：bJ多柱排架达旦：。采用柱与上部结构整体连接，纵向和横向反应特征可以使得相同。若柱底固结到基础结构，柱的弯矩是大大小于单柱情况甚至可通过选择柱的数量允许明显减少。如果柱底选择铰接，基础设计力可以减少，但以增加柱的弯矩为代价。由于增加系统的超静定，较少依赖于满
33、足单柱关键塑性铰的性能。(a)单桂弯t3磨底弯矩(c)连系粱连接的柱(d)连接柱的F-lfi图36排架的构型与单柱情况相比位移减少。与单柱设计相比整体连接可以将柱顶弯矩较好分布到上部结构中。缺点：如果上部结构是由支座支承，地震设计弯矩全是纵向比横向大由于轴向荷载的不同以及固端盖梁刚度的影响，关键区域的塑性铰不同时产生。因此关键区域延性要求更难确定。由于盖梁的柔性，柱的延性要求会超过整个结构的延性要求，这一点以及前一点在531(b)节中作进一步讨论。采用柱与上部结构整体连接，在横向地震反应中，盖梁会受到非常大的地震弯矩和剪力。c设横梁的排架对于非常高的排架墩，采用一根或多根连系梁，可以减小位移和
34、柱的设计弯矩(如图316(c)，有时这种方法用于四柱设计，如图316(d)所示，四根柱在平面内排成方形，以便在纵桥向和横桥向提供相等的加劲与加强。这种设计中，上部结构常采用支座支承，支座设置在联接四根柱顶的平台上。97一一i+：柱一够一3，34柱式墩截面比较方案图317列出厂一批适用于抗震设计的实心截面方案。横向立而截面AA截面B-B截面C-C谋需驾截画E-EtgF-F截面G-G图317墩柱的实心截闻型式a圆形截面截面AA和BB代表常规的柱体，其纵向钢筋环形布置，配有螺旋箍筋或环形箍筋，外形可以是圆形、正八边形或其它一些多边形，这类截面经济有效且便于施工。箍筋的连续曲线给混凝土提供了一个连续的
35、约束压力并给每根纵向钢筋提供了内部抗屈服的约束。该种截面的抗弯强度、抗剪强度以及延性能力与地震反应的方向无关。对于在正交方向抗弯要求相同的情况，圆截面总是抗震中受欢迎的形状。由于建筑学的原因以及在偏心荷载作用下为了能提供较好的盖梁支承，常常在柱台上部区域加宽。如图317中的CC截面，柱仅在横向加宽。虽然这是最常见的做法，但柱六纵桥向也可以加宽，CC截面的纵向钢筋仍保留在原圆形截面内，在加宽区域设置一些小直径的纵向细筋和一些箍筋。这些箍筋主要是约束主筋外的面层区域。一个替代的方法是根据截面形状变化加宽主钢筋，这会导致大直径纵向钢筋弯曲要求复杂，且箍筋尺寸随高度连续变化等施工上的困难，也会引起混凝
36、土的约束不够并且纵向钢筋接近纵轴、；在纵向反应时柱顶塑性铰有延性要求的地方这或许是关键的。附加箍筋也要求抵抗曲线纵向筋径向朝外分量。CC截面沿加宽高度纵向抗弯能力几乎没有增加，关键截面通常仍然是盖梁下部。加宽部分抗弯强度的一点梯度变化事实上是有益的，因为它趋于增加塑性铰的有效长度，从而减少峰值曲率并推迟保护层的剥落。对于单柱排架，端部拓宽是需要的。若多柱排架采用CC截面的端部加宽，由于从拉力钢筋中心到外部受压纤维的杠杆臂增加了，实际上的横向抗弯强度提高了。因此，或许难以精确确定柱顶塑性铰的位置。除非抗弯强度提高的影响完整且细心考虑，否则会严重低估了相应于侧向塑性机理形式的陡剪力，导致剪切破坏的
37、倾向。有时采用通过伸缩缝材料层将盖梁与柱端加宽部分结构分离的方案：bJ矩形柱图317中截面DD至FF列出了实心矩形截面的可供选择的方案。选择截面DD只有周边箍筋，这种情况给核心混凝土不能提供有效约束或除在角上或紧靠近角附近外，对纵向钢筋不能提供有效的侧向约束，因此这种方案不能用于有延性要求的地方，些受限制的延性，其数量与轴力水平、纵向含筋率以及剪跨比有关，是可行的，但设计中不能依赖，房屋柱中通常采用矩形柱抗震P4L为了给混凝土提供可靠的约束以及给纵向钢筋提供抗屈服的约束，采用重叠的矩形和八角形箍筋，这是可能的，因为在截面中用多于16根纵向钢筋的情况不普遍。桥梁柱通常比房屋用截面大且要求大量的纵
38、向钢筋。在这种情况下，为了提供可靠的约束或许要求箍筋不实际的组合，如图EE截面。这种截面有20根纵向钢筋，这或许是由矩形箍筋可能约束的最大值，因此，对于尺寸相对较小的柱应限制它的应用、对于大的矩形柱应考虑采用图317所示的FF截面纵向(包括在相交螺旋筋内的)钢筋详图。在角部可采用大的倒角以避免过量的保护层引起的剥落问题。螺旋筋必须充分搭接以确保横向的完全组合抗剪作用。详细资料在532(c)(iv)和534(b)节给出，带有螺旋筋约束的纵向钢筋方形截面应当刻成完全八角形截面，如图中的BB截面。c矩形墩当纵向地震反应完全由桥台抵抗，或由于排架高度变化大使得建造高排架有大的纵向抗力不经济的情况时，可
39、以采用图317中CC截面的加宽矩墩截面。这种墩在横桥向有高的强度与刚度，其作用基本上象一垛结构墙，但在纵桥向刚度低，因而吸收很小的纵向剪力，如在横向反应方面有延性要求，墙的端部区域需要特殊箍筋。在纵向反应下完全约束截面的长边通常是不实际的，仅仅是偶尔提供交叉联系钢筋。由于纵向位移会受到桥梁较刚性的抗震部件的限制(如桥台和较矮的排架)，所以这样通常是足够的。另外桥墩截面通常轴力低而且纵向含筋率也较低，因此即使没有约束也有相当的延性能力P5：d空心截面柱对于大的长跨桥梁，排架截面尺寸也许需要非常大。若排架高，或许99要求采用空心截面柱：根据强度质量和刚度质量比，这样有使结构效益最大的优点并且对地震
40、反应而言减少了柱的质量分布参看431(a)。由于自重惯性反应，高且重的柱也会产生大的地震弯矩：图318(a)的空心圆柱截面可能是优化选择，然而带有两层箍筋需要小心：由于约束或抗剪在内箍筋环上产生的拉力有径向朝内的分量，它必须由绕在内箍筋环上(不只是绕在纵向钢筋上)的径向联系箍筋来抵抗。如果内表面的压应变达到破坏应变，截面会朝内破坏Z1)：再注意到内箍筋环有负的约束作用，背离径向连系。由于这些影响，柱的管壁必须充分厚以确保内壁面压应变甚至在外混凝土保护层剥落后保持在可接受的水平(小于0004)。图318(b)所示的矩形截面很少受到这些影响，这是因为有效受压区宽度较大以及没有不利的径向约束力分量所
41、致。然而象圆形截面，截面的有效约束要求大量的在横向联系或箍筋(不但施工费时而且相昂贵)。(a)圆形(b)矩形图318高墩可用的空心截面型式33。5排架与基础连接前面已讨论丁带有柱与上部结构整体连接的多柱排架采用铰接基础连接的可能性，与固结柱底条件相比，其优点是基础力减少了，但要以柱顶弯矩的增大为代价(如图316所示)。对于基础圆柱支承的基础，图319对这两种连接方式的基底力进行了详细考察。对于铰接基底条件，基底力产生于柱的轴向荷载，或许包括地震分量，以及通过铰传递的剪力。这时，基础柱中的轴力几乎相等，因此可使设计经济；而且基脚受到的弯矩和剪力业相当低如图319(a)所示)。图319(b)中柱底
42、弯矩的传递使基础力大大增加。对于所示的地震力方向，左边的基底柱可能产生很大的上提力。因此，图319(b)右边的受压柱受的轴力比铰接时的两倍还大；由此，脚底弯矩和剪力也大大增加。图319(b)表示了基脚弯矩和剪力分布的形状，其中把柱拉力合力r和压力合力C作为施加在基脚的力。可以看到，基础的正弯矩会比铰接基础高许多；如果左柱受到拉力(如图所示)，负弯矩还会增大。与铰接基础相比，这要求附加顶层钢筋。剪力也比铰接基础大得多且在墩柱下面的拉应力合力与压应力合力之间出现1nn最大值：除最近的桥梁设计外，这个“铰”剪力通常均被忽视。但试验表明当没有特别设置剪切钢筋寸，它能引起基脚的剪切破坏(参看56，4节)
43、。(a)铰接摹底基脚弯污纂脚剪力(b)固接基底图39柱底固结对基础内力的影响336基础系统基础系统的选择对整桥的地震响应以及墩柱和基础力的分布均有非常重要的影响，图320列出了大量比选方案。a扩大基础对于硬土或岩石条件，扩大基础是最经济的。如图320(a)所示，只要柱的尺寸能保证重力提供的抗力超过基脚的倾覆弯矩，那么塑性铰就能在墩柱底部形成。因此有：(户+Wf)x44+Vh(32)式中M、y和尸分别是从墩柱传至基脚的弯矩、剪力和轴力；1D是基脚的重量；x是离开基底土壤抗压矩心的距离。墩柱力应基于柱能力的超强评估。如图320(a)所建议的，不必要使整个基脚在最大荷载时均处于受压状态。剪力是由基脚
44、底面和竖面的端部支承摩擦力承受，后者只有当基脚是倚在开挖面浇筑而没有回填材料靠在基脚面时才是可靠的。为了改善剪力传递，可建议提供剪力键与基脚底部的基础材料牢靠结合在一起，如图3，20(a)中的虚线所示。b摆动扩大基59e图320(b)建议了一个替代方案，也能应用于坚固的地基条件，这101桥梁概念设计二、城市桥型概念设计城市桥梁的结构形式丰富，根据城市桥型的特点，本部分内容主要对城市桥梁中常用的系杆拱桥、组合体系桥梁的结构形式及受力特征进行分类介绍，为城市桥型设计提供一些思路与理念。系杆拱桥在城市桥梁中的应用、较广，能给人一种强劲的力度感，加之拱结构优美的曲线造型，多跨拱桥的动感变化，是桥梁结构
45、形式中最富于变化的，从古到今受到人们的关注和推崇。系杆拱可以通过拱肋、吊杆造型以及风撑形式的调整来展示结构变化，也可以将行车桥面支承在拱肋的上、中、下等不同的位置，还可以单拱、连拱及“飞燕式”等多种形式出现。按拱肋数量分，可以有单片拱、双片拱、三片拱等；按拱肋截面分，可以有矩形、箱形、圆形、工形、哑铃形等；按拱肋线形分，可以有圆弧、抛物线、悬链线等；按拱肋材料分，可以有钢筋混凝土、钢管混凝土、钢结构等；按吊杆形式分，可以有垂直、倾斜、网状等；按风撑形式分，可以有一字、m字、X型、桁式、薄壁镂空等；按拱面分，主要通过拱面倾角变化来实现，有拱面内倾，称之为提篮拱，有拱面垂直平行，现在逐渐发展到拱面
46、外倾，以求更多的桥上空间和张扬时尚的气势。系杆拱的特点除了形式富于千变万化，其另一特点是结构建筑高度低，适合城市桥梁对净空高度的要求，各构件外形符合人们对轻巧、纤细的追求，而且拱桥的涂装可以因环境不同而自由选择，不论是融人环境还是突出环境，都可以恰如其分地表达出城市的标志色，所以在城市桥梁中得到了广泛应用。桥梁美学家Leonhardt认为“拱是桥梁最强的具体表现，它的外形就明显地表现其有能力使荷载跨越河流、山谷或道路，所以，拱桥以其明显合适的外形使人们觉得美。”1中承式系杆拱(1)中承式系杆拱的结构特点中承式系杆拱是指行车桥面位于拱肋的中间位置，一般以三跨的结构形式居多。中承式系杆拱的造型极佳
47、，其结构由“伏”至“起”，有强烈的节奏感和韵律，不仅能吸引人们的视线，而且容易与周围的建筑群遥相呼应，在城市桥梁中往往受到青睐。概括起来，中承式系杆拱桥有以下特点：结构特点：中承式系杆拱作为一种无推力或少推力的拱桥体系，突破了有推力拱桥对墩、台和地基要求甚高的限制，从而大大提高了其适用性。一般小跨径中承式系杆拱桥宜采用刚性系杆、吊杆和刚性拱形式，而大中跨径中承式系杆拱桥宜采用柔性系杆及吊杆和刚性拱形式。中承式系杆拱桥可以在桥面以下的拱肋部分设置强大的横撑，以增加结构的稳定性，从而可以减少桥面以上风撑的数量，避免视线阻挡。另外，由于吊杆的支承作用，桥面系的建筑高度可以大大降低，在保证同样高度桥下
48、净空的前提下，可以缩短主桥长度和桥头引道长度，其经济性十分明显，这使系杆拱桥在城市桥梁净空受到严格限制时成为极具竞争力的桥型。受力特点：类似于悬索桥的吊杆和斜拉桥的拉索，三跨中承式系杆拱桥的中跨吊杆和边跨立柱对桥面系形成弹性支承，可以大大改善主梁的受力状况，使得结构跨越能力增强；作为无推力或少推力的结构，相对于一般有推力拱，其弯矩和剪力都将减小，这样就充分发挥了拱承压能力高的特点；系杆拱桥的抗弯能力主要来自于拱肋压力和系杆拉力所组成的内力偶，故就这点来讲，桥跨越大，轴力也越大，系杆拱桥抗弯能力也就越大。外形特点：中承式系杆拱桥的形式多变，各式各样、形态各异、举不胜举。它可以通过拱肋、吊杆造型以及风撑形式的调整来展示结构的多样性，还可以单拱、连拱及“飞燕式”等多种形式出现。构思精巧、设计合理的拱桥既满足了跨越障碍的要求，又达到了令人赏心悦目的造型效果，这也是中承式系杆拱在城市桥梁中得到广泛应用的原因之一。施工特点：一般小跨径钢筋混凝土中承式系杆拱桥宜采用满堂支架施工、少支架预制拼装或整体拖拉施工，中、大跨度中承式系杆拱桥，一般都采用钢管混凝土结构作为拱肋的劲性骨架，并利用骨架的刚度与强度承受拱肋的施工荷载，形成了修建该类桥梁的科学合理的自架设体系，解决了该桥型向大跨度发展的施工难题。另外，缆索拼装吊装施工、转
