大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究

  摘要:本文對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,其次,本文從設(shè)計(jì)理論、預(yù)應(yīng)力筋配置、方面對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在使用中出現(xiàn)的裂縫等問題進(jìn)行了討論。

  關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力混凝土;連續(xù)剛構(gòu);裂縫

  隨著國際經(jīng)濟(jì)帶動交通事業(yè)的發(fā)展,交通量日益增大,橋梁事業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。近年來,我國修建了很多大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,也暴露出一些問題,其中裂縫等問題尤為突出,引起了工程界的普遍關(guān)注。

  1預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)特征

  連續(xù)剛構(gòu)橋是預(yù)應(yīng)力混凝土大跨梁式橋的主要橋型之一,它綜合了連續(xù)梁橋和T形剛構(gòu)橋的受力特點(diǎn),將主梁做成連續(xù)梁體與薄壁橋墩固結(jié)而成。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是將連續(xù)的梁體與橋墩固結(jié)而形成的,節(jié)省了大型支座的昂貴費(fèi)用,其梁體受力接近于連續(xù)梁,利用薄壁橋墩的柔度適應(yīng)由預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變和溫度變化引起的縱向位移,減少了墩及基礎(chǔ)的工程量并改善了結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的受力性能。

  對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,其特點(diǎn)是:梁保持連續(xù),梁墩固結(jié)。由箱型截面預(yù)應(yīng)力混凝土主梁、雙薄壁鋼筋混凝土墩柱和大型整體式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等組成。在構(gòu)造上分為跨內(nèi)梁部設(shè)鉸和梁部連續(xù)兩種類型。目前的連續(xù)剛構(gòu)體系基本采用后者。連續(xù)剛構(gòu)體系也可稱為具有墩梁固結(jié)的連續(xù)梁橋,墩梁固結(jié)有利于懸臂施工,且可以減少大型支座,通常在需要布置大跨、高墩處采用。連續(xù)剛構(gòu)橋的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面:從受力方面,上部結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)出連續(xù)梁的特點(diǎn),但必須計(jì)入由于橋墩受力及混凝土收縮、徐變和溫度應(yīng)力引起的變形對上部結(jié)構(gòu)的影響。因橋墩具有一定的柔度,與T型剛構(gòu)相比,其墩底所受彎矩很小,而在墩梁結(jié)合處仍有剛架受力特點(diǎn)。

  從構(gòu)造方面,主梁通常采用變截面箱型梁,橋墩多采用矩形和箱型截面的柱式墩或雙薄壁墩,墩梁固結(jié)。橋梁兩端的伸縮裝置適應(yīng)結(jié)構(gòu)縱向位移的需要,同時橋臺處設(shè)置控制水平位移的擋塊,用以保證結(jié)構(gòu)的水平穩(wěn)定性。

  從結(jié)構(gòu)適應(yīng)位移的角度看,連續(xù)剛構(gòu)體系利用高墩的柔度來適應(yīng)結(jié)構(gòu)由預(yù)加力、混凝土收縮、徐變和溫度變化等引起的縱向位移,即把高墩視為一種可擺動的支撐體系。邊跨橋墩因墩高較矮,相對剛度增大,當(dāng)其不能起到擺動作用時,需在橋墩頂部或底部設(shè)鉸,以適應(yīng)縱向位移。

  2裂縫問題

  近年來在一些大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)的裂縫問題主要表現(xiàn)為以下幾種形式:

  (1)、主箱梁腹板出現(xiàn)斜裂縫,主要是邊孔近現(xiàn)澆段和中孔1/4~3/SL段出現(xiàn)較多;

  (2)、主箱梁底板跨中部分張拉錨固后出現(xiàn)縱向裂縫;

  (3)、箱梁具有較長懸臂翼緣板在頂板懸臂根部出現(xiàn)縱向裂縫,寬箱梁在跨中頂板出現(xiàn)縱向裂縫;

  (4)、箱梁橋橫隔板孔洞周圍放射型裂縫和孔洞之間的豎向裂縫。

  按裂縫產(chǎn)生的外因主要是由:荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫、基礎(chǔ)變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫造成的。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)裂縫生成的原因,涉及設(shè)計(jì)計(jì)算、施工工藝、養(yǎng)護(hù)管理、后期使用、材料質(zhì)量、氣候環(huán)境等各個方面。因此要細(xì)致地分析每一因素對箱梁橋結(jié)構(gòu)裂縫的影響程度是很困難的,多數(shù)情況下也是沒有必要的。通過對結(jié)構(gòu)裂縫形式和狀態(tài)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生位置有一定的規(guī)律性,也就可以推斷導(dǎo)致該類結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的影響因素,因此通過結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的不同位置對其成因進(jìn)行分析是比較有效的分析方法。

  3設(shè)計(jì)方法

  大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,雖然看似成熟橋型,但我國過去十幾年暴露出來的許多問題,也反映出我們認(rèn)識上的一些誤區(qū)。首先是九十年代刮起的優(yōu)化風(fēng),一味追求結(jié)構(gòu)的輕薄,加上施工質(zhì)量不過關(guān),預(yù)應(yīng)力孔道灌漿普遍不實(shí)(在近期的高速路改建中暴露無遺),導(dǎo)致箱梁中跨跨中下?lián)、腹板出現(xiàn)斜裂縫等病害的產(chǎn)生。到2004年新橋規(guī)修訂時,加大了結(jié)構(gòu)的安全儲備,方向是正確的。但要防止大跨度預(yù)應(yīng)力箱梁的病害,提高設(shè)計(jì)的安全度僅僅是一個方面,更重要的是改進(jìn)施工質(zhì)量。若設(shè)計(jì)時一味增大結(jié)構(gòu)尺寸,增加預(yù)應(yīng)力用量,不僅浪費(fèi),而且還可能引起新的問題。實(shí)踐告訴我們,即使是常規(guī)的結(jié)構(gòu)在變動設(shè)計(jì)原則時,也要經(jīng)過充分的論證和實(shí)踐,應(yīng)慎重、漸進(jìn)地采用,不能矯枉過正。這些與我國目前的設(shè)計(jì)理論和方法有關(guān)。

  目前有爭議的主要問題有:主墩處是否要考慮彎起束;是否需要在箱梁合龍段及中跨靠近懸臂端設(shè)置橫隔板,以增強(qiáng)梁體整體抗扭轉(zhuǎn)、抗畸變的能力;混凝土徐變究竟發(fā)生多少年,等等。

  目前,工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)箱梁橋時,通常是采用平面計(jì)算模型進(jìn)行正截面極限承載力計(jì)算,按簡支模型對橋面板進(jìn)行配筋計(jì)算,有些技術(shù)力量比較強(qiáng)的設(shè)計(jì)院可能會采用空間一維梁段有限元分析模型進(jìn)行空間分析校核,但即使在進(jìn)行空間分析校核時,也并不考慮截面翹曲應(yīng)力和畸變引起的腹板豎向應(yīng)力和頂板水平應(yīng)力及由豎向荷載引起的腹板豎向應(yīng)力和頂板水平應(yīng)力。由于目前的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋計(jì)算軟件多數(shù)按平面桿系單元編制,屬于線性靜力平面計(jì)算軟件。該類軟件對可作為平面桿系處理的橋梁進(jìn)行宏觀分析是可行的,但不能分析箱梁橋的寬度和單邊荷載及局部受力特性,如剪滯等。設(shè)計(jì)時,偏心荷載作用下截面的扭轉(zhuǎn)與翹曲影響,通常是通過乘以橫向分配增大系數(shù)考慮的,分析截面承載力和應(yīng)力計(jì)算時,通過采用有效翼緣寬度考慮剪滯影響。某省公路管理局1999年科研項(xiàng)目“連續(xù)箱型梁橋裂縫調(diào)查分析及防治措施的研究”指出,箱梁橋的剪滯系數(shù)幾(同一截面處考慮剪滯效應(yīng)所求得的正應(yīng)力與按初等梁理論求得的正應(yīng)力之比)隨寬跨比增大而增大,在制作截面處這種正相關(guān)關(guān)系體現(xiàn)得尤為顯著,且剪滯系數(shù)大于其他截面處。

  實(shí)際上,箱梁橋是一個空間的結(jié)構(gòu)受力體系,其結(jié)構(gòu)變形和受力情況十分復(fù)雜。雖然有的設(shè)計(jì)對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋也按梁格理論考慮空間計(jì)算,但空間梁格理論雖然能分析畸變翹曲,但仍然不能完全反映預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)受力特性。此外,在計(jì)算時,汽車荷載應(yīng)計(jì)入沖擊系數(shù),原公路橋梁規(guī)范JTJ023-85沒有考慮,而在相應(yīng)的鐵路設(shè)計(jì)和檢測規(guī)范上則予以了考慮,2004年新公路橋規(guī)對此進(jìn)行了修訂。實(shí)際上大噸位車引起路面及橋梁結(jié)構(gòu)物沖擊作用應(yīng)予考慮,否則會導(dǎo)致橋梁后期加固修復(fù)困難加大。如某市政橋梁,考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化致使橋梁剛度偏小、撓度偏大,行車后橋面結(jié)構(gòu)容易損壞,現(xiàn)在交通量很大不能封閉維修,有關(guān)部門很頭痛,市民意見很大,這是教訓(xùn)。因此,對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的分析,尤其是裂縫的力學(xué)分析(既要進(jìn)行整體受力分析,也要進(jìn)行詳盡的局部受力分析),應(yīng)該考慮采用合適的箱梁橋空間分析理論,通過把箱梁橋作為一個空間受力體系進(jìn)行分析,以盡可能反映箱梁橋的實(shí)際空間受力情況。

  從理論上講,分析混凝土薄壁箱梁橋的有效方法應(yīng)能綜合考慮彎曲、扭轉(zhuǎn)、軸向受壓及畸變、翹曲、剪力滯、橫向局部彎曲引起的二次應(yīng)力等,然而現(xiàn)行的混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)一直沿用矩形和T形梁的線彈性理論計(jì)算應(yīng)力,然后按極限狀態(tài)法計(jì)算極限承載力、抗裂性,F(xiàn)行的混凝土箱型梁橋設(shè)計(jì)方法(按橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的有關(guān)條款)基本考慮了彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪力滯后(有效翼緣寬度)及橫向應(yīng)力(橋面板計(jì)算),但也有諸多結(jié)構(gòu)待完善的地方,最明顯的不足是,采用平面分析和一般的空間分析基本無法充分有效地考慮翹曲、橫向彎曲、畸變引起的二次應(yīng)力、在對二次應(yīng)力分布特征不清楚的情況下進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)很可能導(dǎo)致混凝土箱梁開裂。  

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