強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念與大跨度P.C梁橋跨中下?lián)系年P(guān)系

戚 原,向 偉

(1.重慶渝富土地開發(fā)經(jīng)營有限公司,重慶 400000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 德陽 618000)

大跨度梁橋在長期運(yùn)營過程中,普遍出現(xiàn)跨中下?lián)?、開裂等病害,對于該類病害不同的研究者進(jìn)行了大量的理論研究分析。牛艷偉等[1]以某75+125+75 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?開展了跨中下?lián)系拈L期觀測和成因分析,研究發(fā)現(xiàn)跨中下?lián)铣尸F(xiàn)“快速—緩和—快速”的發(fā)展特點(diǎn),裂縫的出現(xiàn)是跨中下?lián)铣掷m(xù)且加速發(fā)展的重要原因。陳宇峰等[2]從混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失及箱梁開裂三個(gè)方面分析了各自對梁體下?lián)系挠绊?。張玉杰[3]在其學(xué)位論文中開展了預(yù)應(yīng)力損失及混凝土收縮徐變等對跨中下?lián)系挠绊懷芯?。楊杰[4]提出用腹板斜向預(yù)應(yīng)力束代替豎向預(yù)應(yīng)力以抑制腹板開裂導(dǎo)致的剛度降低,從而控制跨中持續(xù)下?lián)?。由此可?不同的研究者對于大跨度梁橋跨中下?lián)系某梢蛴胁煌囊娊?多數(shù)研究者認(rèn)為跨中長期下?lián)吓c混凝土收縮徐變有關(guān),但也有研究[5]通過計(jì)算得出混凝土收縮徐變影響有限,從而質(zhì)疑徐變是影響跨中下?lián)系闹饕蛩亍?/p>

不同的設(shè)計(jì)單位所設(shè)計(jì)的大跨度橋梁其長期運(yùn)營過程中幾乎都出現(xiàn)了不同程度的同類病害,其中是否包含設(shè)計(jì)理念的問題,現(xiàn)有強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念與大跨度P.C梁橋跨中下?lián)洗嬖谑裁礃拥年P(guān)系,是本文探討的初衷。

1 大跨徑梁橋的病害與反思

原國際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會(huì)(CEB)針對跨徑53～195 m范圍的27座P.C連續(xù)梁橋的跨中下?lián)线M(jìn)行了長期觀測,發(fā)現(xiàn)在通車8～10年后仍有明顯的增長趨勢。大量的統(tǒng)計(jì)資料表明,大跨徑梁橋在下?lián)喜粐?yán)重的情況下,梁體運(yùn)營情況尚好,但是當(dāng)下?lián)系揭欢ǔ潭群?即主梁跨中撓跨比達(dá)到一定值時(shí)),梁體開始出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,開裂后的梁體剛度削弱,會(huì)導(dǎo)致梁體進(jìn)一步下?lián)?進(jìn)而惡性循環(huán)。見表1,當(dāng)長期撓度與跨徑之比小于L/1 600時(shí),梁體未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,而當(dāng)長期撓度與跨徑之比大于L/1 600時(shí),梁體普遍出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

表1 國內(nèi)外大跨徑P.C梁橋跨中下?lián)霞伴_裂病害統(tǒng)計(jì)情況

受此啟發(fā),如果大跨徑混凝土梁橋的長期下?lián)峡梢缘玫娇刂?則梁體的運(yùn)營過程中不會(huì)出現(xiàn)開裂病害。在后期運(yùn)營過程中,外部荷載不存在太大的變化,但卻出現(xiàn)了持續(xù)性地下?lián)?通常認(rèn)為徐變下?lián)鲜亲钪饕囊蛩?。而大跨徑P.C混凝土梁橋在施工過程中經(jīng)歷了懸臂澆筑,邊、中跨合攏,施加二期恒載等施工階段,受力體系不斷發(fā)生變化,最終進(jìn)入成橋運(yùn)營階段。如果定義最大懸臂狀態(tài)下的撓度為f1,施加二期恒載后的撓度為成橋撓度f2,則橋梁在成橋后時(shí)間t內(nèi)的總下?lián)现礷(t)為：

(1)

顯然f2是由兩部分組成的,一部分是最大懸臂狀態(tài)下的撓度即一期恒載撓度f1,另外一部分是由于施加二期恒載后梁體的下?lián)现?。徐變終極系數(shù)φ(t,t0)的影響因素復(fù)雜,因而為減小徐變下?lián)现?主要有以下兩種思路：一種是減小最大懸臂狀態(tài)下的撓度f1,即懸臂施工零撓度設(shè)計(jì)理念,這一設(shè)計(jì)理念由范立礎(chǔ)院士1988年在其主編的《預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋》[6]一書中提出,文獻(xiàn)[7]采用恒載零彎矩法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力配束設(shè)計(jì),有效地降低了梁體在恒載狀態(tài)下的撓度。另外一種思路,則是采取措施盡量減小施加二期恒載引起的撓度部分,這一部分撓度受結(jié)構(gòu)體系、截面尺寸等影響,部分研究者提出了增大梁體跨中截面梁高的措施,即希望通過增大梁體剛度來減小主梁恒載撓度。

結(jié)合表1和式(1)分析可知,如果能夠在設(shè)計(jì)過程中控制恒載撓度,則長期下?lián)峡梢缘玫娇刂?且當(dāng)長期下?lián)现挡怀^L/1 600時(shí),梁體運(yùn)營情況良好。為此需要從設(shè)計(jì)層面去控制恒載撓度。

2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念

2.1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念與成橋撓度的關(guān)系

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD62—2004)》規(guī)定對公路橋涵應(yīng)進(jìn)行以下兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì),即承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。考慮三種設(shè)計(jì)狀況,即持久狀況、短暫狀況及偶然狀況。其中承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)主要針對構(gòu)件的承載力及穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì),必要時(shí)尚需進(jìn)行結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移驗(yàn)算,強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。正常使用極限狀態(tài),則是采用不同的荷載效應(yīng)組合對構(gòu)件的抗裂性、裂縫寬度及撓度進(jìn)行驗(yàn)算。構(gòu)件的抗裂性及裂縫寬度驗(yàn)算本質(zhì)上仍是材料的強(qiáng)度問題。規(guī)范[8]僅考慮了活載剛度指標(biāo),即第6.5.3條規(guī)定：“鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的長期撓度值,在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后梁式橋主梁的最大撓度處不應(yīng)超過計(jì)算跨徑的1/600；梁式橋主梁的懸臂端不應(yīng)超過懸臂長度的1/300?！憋@然,現(xiàn)行橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范未對恒載撓度進(jìn)行控制,如果采用L/600進(jìn)行恒載撓度控制,必然會(huì)產(chǎn)生過大的長期下?lián)喜?dǎo)致形成開裂病害。

由此可見,現(xiàn)行橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范主要是基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。其預(yù)應(yīng)力筋配束,目的是確保施工全過程及成橋后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。然而，由于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念是一個(gè)寬泛的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)人員在對不同橋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),靈活性非常大,導(dǎo)致不同橋的設(shè)計(jì)盡管都滿足了規(guī)范對強(qiáng)度指標(biāo)的驗(yàn)算要求,但卻在其他指標(biāo)上存在較大的差異。例如在恒載撓度或者恒載不平衡彎矩上,存在顯著的差異。為了解這種設(shè)計(jì)上的靈活性可能給橋梁結(jié)構(gòu)后期運(yùn)營帶來的隱患,筆者向各大設(shè)計(jì)院搜集到了6座大跨徑P.C混凝土梁橋的資料,并采用Midas Civil軟件進(jìn)行了考慮施工過程的計(jì)算,目的是考察對比合攏并施加二期恒載后橋梁的成橋撓度。

圖1～6分別給出了6座大跨徑P.C.混凝土梁橋竣工時(shí)的成橋撓度云圖,即恒載撓度云圖。

圖1 某四跨連續(xù)剛構(gòu)橋(60+2×110+60 m)

圖2 某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋(55+100+55 m)

圖3 某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋(80+150+80 m)

圖4 某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋(66+120+66 m)

圖5 某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋(65+125+65 m)

圖6 某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋(65+120+65 m)

由圖1～6可見,由于設(shè)計(jì)人員在預(yù)應(yīng)力筋配束上的靈活性導(dǎo)致各橋的成橋恒載撓度存在明顯的差異,梁體恒載下?lián)献畲笾祬R總見表2。

表2 基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)得到的不同橋的成橋撓度

由表2可見,采用相同的基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的大跨度梁橋,其成橋跨中恒載撓跨比相差非常大。按照徐變系數(shù)終極值取3.0計(jì)算,要使長期撓跨比不超過L/1 600,則成橋恒載撓度需要控制在L/4 800以內(nèi)。按照這一指標(biāo)看,6座橋中有5座橋不滿足恒載控制指標(biāo)要求。

需要說明的是,表2中序號3(跨徑布置為80+150+80 m)的三跨連續(xù)剛構(gòu)橋,其成橋恒載撓度,中跨出現(xiàn)了反拱,邊跨則是下?lián)?這主要是由于預(yù)應(yīng)力度引入過大所致。

2.2 成橋撓度與長期下?lián)系年P(guān)系

顯然,前述基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的6座大跨度梁橋,其施工及運(yùn)營階段均是滿足強(qiáng)度驗(yàn)算指標(biāo)的。其成橋線形也可以通過施工時(shí)的預(yù)拱度設(shè)置來進(jìn)行調(diào)整。預(yù)拱度設(shè)置的目的是為抵消橋梁的恒載下?lián)虾瓦\(yùn)營期長期下?lián)隙紤]的,但卻對梁體嚴(yán)重下?lián)峡赡墚a(chǎn)生的梁體開裂等病害沒有作用。如前所述,只要當(dāng)梁體的跨中下?lián)线_(dá)到一定程度,即相對撓跨比δ/L≥1/1 600,梁體即會(huì)出現(xiàn)開裂等病害,并進(jìn)一步加劇梁體下?lián)稀?/p>

成橋恒載撓度與長期撓度之間的關(guān)系可由式(1)進(jìn)行定性描述。基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)得到的6座大跨徑梁橋,僅有一座滿足恒載撓度小于L/4 800的恒載撓度要求。

3 結(jié) 語

現(xiàn)行橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范采用基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念對橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì),對恒載撓度則未進(jìn)行控制,這直接導(dǎo)致在滿足強(qiáng)度驗(yàn)算指標(biāo)的前提下,設(shè)計(jì)上具有很大的隨意性。通過對國內(nèi)外多座大跨度梁橋的長期下?lián)现档慕y(tǒng)計(jì),以及對6座不同跨度的大跨度梁橋進(jìn)行的施工階段分析,得到以下結(jié)論：

1)對于大跨徑梁橋,如果長期相對下?lián)线_(dá)到或者超過L/1 600,則可能會(huì)出現(xiàn)梁體開裂,并導(dǎo)致梁體加速下?lián)系炔『Α?/p>

2)不同的設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的大跨度梁橋,其恒載撓度相差很大,這主要是由于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念所引起的設(shè)計(jì)上的靈活性所致。

3) 大跨徑梁橋的長期下?lián)现蹬c成橋時(shí)的恒載撓度直接相關(guān),恒載撓度越大,長期下?lián)现狄苍酱蟆?/p>

4)可以通過優(yōu)化預(yù)應(yīng)力筋的配置及梁體的截面尺寸等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)主梁恒載撓度的控制,并最終減小長期下?lián)稀?/p>

[1] 牛艷偉,石雪飛,阮欣.大跨徑混凝土梁橋的長期撓度實(shí)測分析[J].工程力學(xué),2008(增刊)：116-119．

[2] 陳宇峰,徐君蘭,余武軍.大跨P.C連續(xù)剛構(gòu)橋跨中持續(xù)下?lián)铣梢蚣邦A(yù)防措施[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,26(4)：6-8．

[3] 張玉杰. P.C連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營期跨中持續(xù)下?lián)显蚍治黾皩Σ遊D].重慶：重慶交通大學(xué),2013．

[4] 楊杰.大跨P.C連續(xù)剛構(gòu)橋長期下?lián)峡刂拼胧┭芯縖D].重慶：重慶交通大學(xué),2009.

[5] 北京建達(dá)道橋咨詢有限公司.六座連續(xù)剛構(gòu)施工圖咨詢報(bào)告[R].重慶:高速公路發(fā)展有限公司,2006．

[6] 范立礎(chǔ). 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京：人民交通出版社,1988．

[7] 王法武,石雪飛.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝梁橋長期撓度控制分析[J].公路,2006(8)：72-76．

[8] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院. JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2004．