控制大跨PC梁橋長期下?lián)系木C合舉措研究

任 亮,張 王景,上官興

(1.華東交通大學 土木建筑學院,江西 南昌330013;2.江西省交通設計院,江西 南昌 330002)

預應力混凝土梁橋作為一種常見的橋型,以其良好的結構性能和優(yōu)美的外形在世界各地得到了廣泛的應用。目前世界最大者為1998年建成的主跨為301m的挪威新施托姆橋(New Stolma),國內最大跨度者為1997年建成的主跨270 m的廣東虎門大橋輔航道橋。隨著使用時間的增加,此類橋出現(xiàn)了顯著的后期持續(xù)下?lián)蠁栴},以致有些橋的下?lián)弦延绊懙狡渥陨砟芊窭^續(xù)安全可靠服役的程度。CEB(原國際結構混凝土協(xié)會)調查了27座跨度從53～195 m的預應力混凝土橋梁的變形。調查表明,有些橋梁在建造完成8～10年后撓度仍有明顯增長趨勢,甚至有以相同的變形速度的增加。英國的Kingston橋是一座跨度為62.5 m+143.3 m+62.5 m的預應力混凝土箱梁橋,1970年建成后跨中撓度一直在緩慢地增大,至今已經(jīng)超過30 cm。1977年建成的帕勞共和國Koror-Babeldaob橋,主跨241 m,是當時世界上跨度最大的預應力混凝土箱型梁橋,建成后撓度不斷加大,1996年加固修補3個月后橋梁倒塌。還有美國1978年完工的Parrots渡橋在使用12年后,195 m的主跨跨中下?lián)狭思s635 mm。國內也有已建大跨度梁式橋跨中出現(xiàn)不同程度的下?lián)?。主?45 m的某大橋,運行7年來,下?lián)献畲筮_32 cm,并且在腹板部位伴隨有大量的斜裂縫的出現(xiàn)。主跨270 m的虎門大橋輔航道橋,建成6年后,在2003年已下?lián)?2.248 cm,遠超過了原來設計預留的10 cm的徐變預拱度。工程實例表明大跨預應力混凝土梁橋的后期下?lián)系某潭纫呀?jīng)遠遠超出了設計所預測的范圍,嚴重影響到橋梁的使用壽命和行車舒適性,甚至危及高速行車時的安全。為此不少學者[1-6]從理論和實踐出發(fā),對預應力混凝土梁橋后期下?lián)系某梢蜻M行了深入的探討和分析,也提出了一些預防的措施,取得了一定的效果。

本文在總結大跨預應力混凝土梁橋持續(xù)下?lián)铣梢虻幕A上,以在建的石城至吉安高速公路泰和贛江特大橋為例,采用有限元法從恒載零撓度、加大跨中梁高和臨時斜拉索輔助施工等新舉措出發(fā)與傳統(tǒng)設計進行分析比較,研究各種因素對預應力混凝土梁橋長期下?lián)系挠绊?力求對這一現(xiàn)象進行有效地控制。

1 大跨徑預應力混凝土梁橋下?lián)系闹饕?/h2>

從預應力混凝土梁橋結構受力特性的機理上分析,預應力混凝土梁橋的撓度實際上是兩部分總體作用方向相反的效應綜合平衡的結果。作用效應之一就是結構體本身的恒載與活載作用,另一個就是橋梁預應力體系提供的作用效應。從結構體本身的作用效應上來說,除了荷載作用,結構剛度是影響撓度的主要因素,而箱梁的剛度受結構布置、混凝土開裂程度、預應力束的布置方式與有效預應力大小、混凝土收縮徐變特性與疲勞特性等因素的影響。另一方面,預應力體系對撓度的作用效應受預應力的布置和有效預應力的大小所左右。目前國內外比較認同的導致大跨徑預應力混凝土梁橋下?lián)犀F(xiàn)象的主要因素[1-8]可能為:

(1)混凝土收縮徐變存在較大不確定性(包含箱梁斷面構件不同厚度導致的收縮差異影響、交通荷載和溫度變化引起的反復荷載效應、施工接縫的影響、環(huán)境溫度與濕度的變化等),很難精確計算;

(2)對預應力長期損失估計偏低;

(3)混凝土的開裂;

(4)施工質量。

這些對結構長期撓度產(chǎn)生影響因素有些不但具有較大隨機不確定性,而且還相互耦合。故盡管現(xiàn)代計算手段不斷取得進步,但準確預測大跨預應力混凝土的長期撓度仍然不是一件容易的工作。

2 控制大跨度預應力混凝土梁橋下?lián)闲屡e措

在控制大跨徑預應力混凝土箱梁橋長期撓度的措施方面,目前國內外的確出現(xiàn)了許多具體的防治方法[9],如多次張拉保證縱向預應力的有效性,體外束、跨中頂推、跨中預壓、主梁跨中部分梁段采用高強輕質混凝土等,但效果都不盡如人意。為此從結構自身出發(fā)、從設計出發(fā)采取相應的措施成為控制大跨度預應力混凝土梁橋長期撓度的新途徑,以下將闡述這些新舉措。

2.1 恒載零撓度

根據(jù)林同炎教授提出的荷載平衡概念,假如用預應力產(chǎn)生的彎矩平衡自重產(chǎn)生的彎矩,這樣在預應力和自重作用下結構將處于軸向受壓狀態(tài),結構在混凝土長期收縮徐變作用下,只會發(fā)生軸向縮短,而不會發(fā)生彎曲下?lián)?這就是“恒載零撓度”的概念。在理論上,在設計時只要保證結構在預應力和自重作用下每個截面彎矩為零,那么建造時就可以不設置預拋高,這樣有利于施工控制。在實際的懸臂施工中,由于每個節(jié)段混凝土齡期有差異,預應力損失難以精確計算,很難保證每個截面彎矩都為零。但是可以根據(jù)恒載零撓度理論配束使每個截面自重和預應力產(chǎn)生的彎矩差較小,這樣成橋后期徐變產(chǎn)生的撓度就較小。廣東佛山石南大橋和湖南湘潭湘江二橋已經(jīng)在施工中按恒載零彎矩進行了施工控制取得了較好的效果。

2.2 臨時斜拉索輔助施工

依據(jù)恒載零撓度的原理,控制跨中下?lián)系年P鍵是要消除恒載彎距,使其產(chǎn)生的撓度趨近零,對于跨度較小的橋,可以通過增設頂板懸臂預應力來達到平衡恒載彎距的目的,但是對于跨度較大的橋,無論是從設計還是施工以及結構尺寸構造上都很難通過增設頂板懸臂預應力來達到平衡恒載彎距的目的針對這種情況,提出一種用施工手段來進行撓度控制的方法,即采用臨時斜拉索輔助施工控制跨中長期下?lián)?如圖1所示。具體做法為:首先設計中按照傳統(tǒng)的包絡圖配置箱梁預應力束;然后在懸臂施工中架設臨時鋼塔,針對頂板上緣懸臂預應力不足,采用張拉斜拉索來做到懸臂施工期間箱梁不下?lián)?并輔助合攏中跨;最后待中跨合攏束張拉完畢,結構形成連續(xù)體系之后,再將鋼塔和斜拉索拆除。

圖1 臨時斜拉索輔助施工圖

2.3 加大跨中梁高

目前對大跨度預應力混凝土梁橋梁高的選擇,一般取支座處梁高為跨度的1/18～1/20,跨中梁高取為支座處梁高的1/3左右,中間以拋物線過渡。對于中小跨度的預應力混凝土梁橋按此原則所確定的梁高變化曲線是可行的,但對于大跨度的預應力混凝土梁橋,跨中梁高的選取值得商磋。目前鐵路上[10]大跨度預應力混凝土梁橋的跨中梁高一般取為支座處梁高的1/2左右,如表1所示,且按此原則設計施工的預應力混凝土梁橋運營后從未出現(xiàn)后期下?lián)犀F(xiàn)象,相反普遍出現(xiàn)跨中上翹的現(xiàn)象,需要將鋼軌道渣扒掉,通過降低道渣高度消除跨中上翹量。因此,借鑒鐵路上預應力混凝土梁橋主梁跨中梁高的取值方法,將大跨度預應力混凝土梁橋跨中梁高取為支座梁高的1/2?？紤]到加大梁高將使結構自重增加,為保證結構自重不變,適當減薄腹板厚度。對于腹板厚度無法再減薄的情況,宜將混凝土腹板改為波形鋼腹板[11]。

表1 部份鐵路連續(xù)剛構橋梁高一覽表

3 實例分析

3.1 分析模型

泰和贛江公路大橋為石城至吉安高速公路上跨越贛江的一座特大橋,橋型布置如圖2。大橋主橋為100 m+155 m+100 m連續(xù)剛構,箱梁采用變截面三向預應力單箱單室連續(xù)箱梁結構,具體尺寸如圖3。

圖2 橋型布置圖(單位m)

圖3 箱梁截面尺寸圖(單位cm)

為分析前述各種措施對控制預應力混凝土梁橋長期下?lián)系男Ч?設計了以下6種方案。

方案1:傳統(tǒng)包絡圖設計。

傳統(tǒng)預應力混凝土梁橋配索設計,所選基本結構是橋梁最終狀態(tài)—運營狀態(tài)的連續(xù)梁圖式。設計的原則是控制不出現(xiàn)拉應力并預留一定的壓應力儲備。

方案2:恒載零撓度設計。

新的預應力混凝土梁橋配索設計,合攏段頂、底板預應力設計所選基本結構是橋梁最終狀態(tài)—運營狀態(tài)的連續(xù)梁圖式,但頂板懸臂預應力設計所選基本結構為橋梁的最大懸臂狀態(tài)圖式。設計的原則是控制不出現(xiàn)拉應力并預留一定的壓應力儲備。

方案3:跨中加大梁高設計。

與傳統(tǒng)包絡圖設計原則基本一致,但主梁跨中梁高取為支點處的1/2,且主梁自重保持不變。

方案4:臨時斜拉索輔助合攏設計。

采用傳統(tǒng)包絡圖設計主梁縱向預應力,為實現(xiàn)施工期間主梁不下?lián)?采用斜拉索輔助懸臂施工直至結構形成連續(xù)體系。

方案5:跨中加大梁高和恒載零撓度設計。

采用恒載零撓度設計縱向預應力,同時將跨中主梁取為支點處主梁高度的1/2,保持主梁自重不變。方案6:跨中加大梁高和臨時斜拉索輔助合攏設計。

傳統(tǒng)包絡圖設計主梁縱向預應力,跨中主梁取為支點處主梁高度的1/2,同時采用臨時斜拉索輔助施工。

現(xiàn)采用有限元靜力分析程序橋梁博士分別對上述6種設計方案進行分析,分析中考慮恒載、活載、預應力和收縮徐變等因素,其中計算規(guī)范采用JTGD 60-2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》。

3.2 結果對比

通過對以上6種設計方案進行計算分析,得到各方案在不同階段跨中的撓度值(為預期實際下?lián)现档囊徊糠?未考慮預應力混凝土的質量、預應力的張拉施工、梁橋的養(yǎng)護等影響),表2列舉出6種設計方案在成橋階段、成橋3年、成橋5年、成橋10年和成橋30年后的跨中撓度值,從表中可以看出:

(1)在傳統(tǒng)的包絡圖設計中,由于對恒載(長期持續(xù)荷載)和變化荷載(活載及附加力)是同等對待的,預應力的設計既要考慮恒載又要同時考慮變化荷載的作用,這樣使得預應力的設計不能完全針對起主導作用的恒載,也不可能實現(xiàn)零彎矩,所以產(chǎn)生較大的后期下?lián)鲜潜厝坏摹?/p>

(2)恒載零撓度設計以撓度為目標控制,其特點是用預應力的設計手段來減少初始撓度和初始轉角。這樣當后期混凝土徐變發(fā)生時,梁體以軸向位移為主,彎曲下?lián)蠟檩o,因而就能極大地減少合攏后的持續(xù)下?lián)辖^對值,是非常有效的控制后期下?lián)系拇胧?/p>

(3)方案3在方案1基礎上加大了主梁跨中高度,同時保持主梁自重不變,在成橋30年后主梁跨中撓度值為-2.9 cm,相對于方案1減少了30%,說明加大跨中梁高對控制預應力混凝土梁橋的后期下?lián)鲜怯行У摹?/p>

(4)方案4采用斜拉索輔助施工,實現(xiàn)無預拋高的合攏,成橋30年后的撓度值與方案1相比減少了52%,因此該措施對于控制后期下?lián)鲜欠浅Ｃ黠@的。

(5)方案5和方案6為組合設計方案,相對于單項設計方案,組合設計方案對控制大跨度預應力混凝土梁橋后期下?lián)细欣?是更好的控制措施。

表2 主梁跨中撓度值

4 結論

本文針對目前大跨度預應力混凝土梁橋在運營后出現(xiàn)腹板開裂和持續(xù)下?lián)系炔『?以在建的主跨為155 m江西泰和贛江公路大橋為例,采用有限元法從恒載零撓度、加大跨中梁高和臨時斜拉索輔助施工等新舉措出發(fā)與傳統(tǒng)設計進行分析比較,研究各種因素對預應力混凝土梁橋長期下?lián)系挠绊?得到如下結論:

(1)傳統(tǒng)包絡圖設計由于預應力的設計不能完全針對起主導作用的恒載,也不可能實現(xiàn)零彎矩,所以產(chǎn)生較大的后期下?lián)鲜潜厝坏摹?/p>

(2)恒載零撓度、加大跨中梁高和斜拉索輔助施工等都是有效的控制后期下?lián)系拇胧?但恒載零撓度設計,或者恒載零撓度設計和加大跨中梁高的綜合運用對控制大跨度預應力混凝土梁橋的后期下?lián)细行А?/p>

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