淺談大跨度連續(xù)剛構(gòu)控制跨中下?lián)系脑O(shè)計方法

劉朝暉

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

在運營一段時間后，大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁普遍出現(xiàn)“跨中下?lián)稀焙汀案拱彘_裂”兩個典型問題，下?lián)虾烷_裂還會隨著時間推移持續(xù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)安全性、正常使用性能以及后期耐久性難以得到有效保證。國內(nèi)對于這些病害的系統(tǒng)調(diào)查，以及對于材料的時變特性、抗裂設(shè)計理論和箱梁變形計算等方面的理論研究都相對缺乏和不夠成熟，給大跨度混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁的設(shè)計、施工和運營帶來了一定的技術(shù)困難[1～2]，成為困擾著橋梁工程界的問題。

針對大跨徑混凝土梁橋跨中持續(xù)下?lián)蠁栴}，即“跨中下?lián)稀眴栴}，本文首先分析下?lián)袭a(chǎn)生的原因，提出設(shè)計中應(yīng)引起重視的關(guān)鍵技術(shù)問題和相關(guān)設(shè)計參數(shù)；接著根據(jù)文獻及實踐經(jīng)驗，進行了相關(guān)研究；最后總結(jié)和闡述下?lián)峡刂圃O(shè)計方法，探討防止病害發(fā)生的對策措施以期為該類橋梁的設(shè)計提供參考，保障橋梁結(jié)構(gòu)的長期使用性能。

1 跨中下?lián)铣梢蚝喪?/h2>

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋后期下?lián)献冃芜^大，橋面縱坡與設(shè)計值相差大，不但影響其外觀，導(dǎo)致行車舒適性差，引起使用安全的危機感，而且對其受力也將產(chǎn)生一定影響。

產(chǎn)生下?lián)系脑蚩蓺w結(jié)為：（1）主梁混凝土收縮及徐變。（2）縱向有效預(yù)應(yīng)力降低引起上拱變形減少。（3）梁體開裂導(dǎo)致梁體剛度降低造成后期的撓度增加。（4）由混凝土開裂超限造成的截面剛度削弱增加了結(jié)構(gòu)幾何變位。（5）由施工超方偏差引起的恒載增加引起自重下?lián)显龃蟆＃?）運營階段橋梁的長期超載導(dǎo)致主梁的實際工作狀態(tài)超出原設(shè)計正常使用的合理狀態(tài)[2～3]。

1.1 混凝土收縮及徐變

混凝土收縮和徐變是與時間有關(guān)的兩種變形作用，混凝土收縮和徐變將直接影響混凝土橋梁的變形、內(nèi)力重分布以及截面應(yīng)力重分布。影響混凝土收縮和徐變的主要因素有：混凝土構(gòu)件理論厚度、環(huán)境相對濕度、混凝土加載齡期和混凝土強度[4]。

相對濕度、構(gòu)件理論厚度大小、加載齡期早晚和混凝土強度高低與收縮徐變產(chǎn)生變形成反比。

1.2 有效預(yù)應(yīng)力降低

預(yù)應(yīng)力鋼束，這里主要指的是縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，對于其實際有效預(yù)應(yīng)力和規(guī)范計算得到的有效預(yù)應(yīng)力有多大的差別，一直缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)試驗研究。但大量運營階段橋梁后期撓度已遠遠超出原設(shè)計計算撓度的事實表明，設(shè)計階段對預(yù)應(yīng)力損失估計不足。通過分析，主要有以下三方面原因：錨下控制應(yīng)力不足；預(yù)應(yīng)力的沿程損失過大；關(guān)鍵截面縱向預(yù)應(yīng)力有效性的降低是跨中持續(xù)下?lián)献钪饕脑騕3]。

1.3 主梁剛度的變化

造成大跨度連續(xù)剛構(gòu)跨中撓度過大的重要因素之一就是剛度問題，預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的剛度受多種因素影響，且隨時間增長而逐漸降低。尤其是中跨跨中混凝土疲勞導(dǎo)致的梁體剛度降低，直接增加了各種荷載作用下主梁跨中的彈性撓度。

1.4 梁體開裂的影響

箱梁開裂和下?lián)铣３Ｊ恰安l(fā)癥”，是互為因果相互耦合的。梁體開裂后，下?lián)蠙C理會變得比較復(fù)雜，加劇主梁的持續(xù)下?lián)蟍1]。

1.5 施工超方偏差的影響

施工超方偏差主要指懸澆節(jié)段混凝土體積超量及橋面鋪裝調(diào)平層超量。文獻[5]研究分析了施工超量對于主梁跨中下?lián)系挠绊?，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)超量會加大恒載撓度和長期徐變撓度，且徐變撓度增長量要大于恒載撓度增長幅度。

1.6 運營期車輛超載

運營期間橋梁的長期超載使梁體的實際工作狀態(tài)超出了原設(shè)計的理想使用狀態(tài)，導(dǎo)致橋梁關(guān)鍵部位下?lián)现导哟螅踔脸霈F(xiàn)無法恢復(fù)的變形裂縫。

2 控制跨中下?lián)系脑O(shè)計方法

針對下?lián)袭a(chǎn)生的原因，通過參閱文獻和設(shè)計實踐，控制跨中下?lián)系脑O(shè)計方法如下所述。

2.1 總體設(shè)計

選取合理的邊中跨比例。連續(xù)剛構(gòu)橋梁邊中跨比一般在0.52～0.62之間。根據(jù)計算分析結(jié)果，邊中跨比在合理范圍內(nèi)偏大一點有利于控制跨中下?lián)?。同時，在路線縱斷面設(shè)計時，跨中位置采用雙坡并設(shè)置合適的凸型豎曲線。

2.2 合理成橋狀態(tài)確定

通過設(shè)計計算確定合理成橋狀態(tài)，是從設(shè)計上解決大跨度連續(xù)剛構(gòu)跨中持續(xù)下?lián)献钣行ё罡镜姆椒ㄖ弧?/p>

由于受彎構(gòu)件的徐變變形與初始撓曲的狀態(tài)有關(guān)，那么可以通過調(diào)整橋梁成橋階段的內(nèi)力和變形狀態(tài)，來實現(xiàn)預(yù)定的理想初始曲率狀態(tài)，達到控制長期徐變下?lián)系哪康?。這種以控制長期時效變形為目標(biāo)的成橋狀態(tài)，稱為合理成橋狀態(tài)。合理成橋狀態(tài)定義如下：在成橋階段，主梁預(yù)應(yīng)力在抵消自重和二期恒載產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)之后，使得梁體處于恰當(dāng)?shù)妮S壓和彎曲狀態(tài)，使之能夠平衡一定比例的活載、溫度作用效應(yīng)，以抑制橋梁的長期時效變形[6]。因此，在滿足規(guī)范要求的情況下，控制好主梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力狀態(tài)對控制跨中下?lián)现陵P(guān)重要。

2.3 合理確定主梁結(jié)構(gòu)尺寸剛度

結(jié)構(gòu)尺寸擬定是否合適，是結(jié)構(gòu)受力是否合理的關(guān)鍵。對于跨中下?lián)峡刂苼碇v，合適可行的根部、跨中梁高擬定是重中之重。合適的梁高正是合理主梁剛度的一種體現(xiàn)。

合理的變截面箱梁的跨中梁高與主跨之比一般為1/40～1/60，根部一般為1/15～1/20[7]。實踐表明，在此基礎(chǔ)上根據(jù)計算，對于特大跨度橋梁（主跨跨徑150 m以上）建議適當(dāng)增大跨中梁高有利于提高整體剛度，減少跨中混凝土應(yīng)力幅并提高其疲勞耐久性能。連續(xù)剛構(gòu)箱梁的跨中和墩頂截面應(yīng)力相對容易控制，而距墩頂L/6～L/4附近截面的正應(yīng)力及主應(yīng)力較難控制，可通過調(diào)整箱梁高度的變化曲線來改善，目前箱梁底緣曲線一般采用半立方次至二次拋物線。

2.4 優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束布置

重視腹板下彎鋼束設(shè)計。從前期工程案例可知，取消腹板下彎束是導(dǎo)致腹板斜裂縫出現(xiàn)的原因之一。計算分析表明，下彎束抵抗主拉應(yīng)力、防止斜裂縫的出現(xiàn)是最為有效的方法之一[1]。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束下彎到箱梁截面形心附近以提供較大的剪力，對于腹板的主拉應(yīng)力的控制非常有效。

重視跨中底板合龍鋼束設(shè)計。合適的跨中底板壓應(yīng)力安全儲備是控制抗裂和下?lián)系囊c之一。

重視豎向預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計。計算分析表明，豎向預(yù)應(yīng)力損失對腹板斜裂縫的出現(xiàn)影響顯著，豎向預(yù)應(yīng)力損失過大，引起腹板主拉應(yīng)力相應(yīng)增加，導(dǎo)致腹板斜裂縫出現(xiàn)。因此在主梁設(shè)計與施工中，需要充分考慮豎向預(yù)應(yīng)力各項損失的存在和影響，并嚴(yán)格加強施工質(zhì)量的管理[1]。目前來看，采用具有二次張拉功能的錨具可以較好解決這一問題。

其他鋼束設(shè)計。為了適應(yīng)移動荷載等反向彎矩的影響，增強橋梁承受疲勞荷載能力，跨中宜設(shè)置頂板鋼束。特大跨徑橋為有效控制下?lián)希吙缂翱缰辛憾谓ㄗh設(shè)置腹板上彎束。

保證縱向預(yù)應(yīng)力的有效性。在控制最大壓應(yīng)力水平的前提下，適當(dāng)增加縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的用量，提高結(jié)構(gòu)安全儲備，增大結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度，并在計算時選擇合適的管道參數(shù)，對于設(shè)計張拉控制應(yīng)力均要求為錨下控制應(yīng)力。從而在設(shè)計方面確?？v向預(yù)應(yīng)力的有效性。

2.5 設(shè)置合適的預(yù)拱度

設(shè)置合適的成橋預(yù)拱度是一種有效控制跨中下?lián)系念A(yù)防措施。一般都是設(shè)計計算的基礎(chǔ)上加上一定的經(jīng)驗值。

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)跨中持續(xù)下?lián)铣梢驈?fù)雜，影響因素多。在設(shè)計施工階段就要充分考慮到運營階段橋梁混凝土的收縮、徐變等時變因素以及車輛超載對跨中下?lián)系挠绊懀虼私ㄗh設(shè)計預(yù)拱度取值“寧大勿小”[8]。

2.6 重視合龍前的體系轉(zhuǎn)換措施

中跨合龍前采用反向頂推。雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)主墩的受力特點主要表現(xiàn)在兩個方面：一是墩頂、底彎矩大，二是邊墩內(nèi)外兩片墩身的軸力差大。為了成橋時全橋受力合理以及線形良好，減小中跨跨中長期下?lián)狭?，改善橋墩的受力狀況，在中跨合龍前，可以通過設(shè)定合理的反頂力和反頂位移在中跨懸臂端進行頂推。

合龍前的配載預(yù)壓。通過體系轉(zhuǎn)換前的配載預(yù)壓可有效調(diào)劑主梁應(yīng)力狀態(tài)，使成橋狀態(tài)的主梁應(yīng)力水平更加合理。

2.7 其他措施

嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼束張拉齡期。建議設(shè)計要求主梁混凝土必須達到設(shè)計強度等級值的90%以上、彈性模量達到設(shè)計值的95%以上且混凝土養(yǎng)護齡期不少于7 d以后才允許進行預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉。

設(shè)置后期備用鋼束。設(shè)計階段可以考慮設(shè)置體內(nèi)或體外兩種預(yù)應(yīng)力預(yù)備鋼束，預(yù)留預(yù)應(yīng)力管道或備用體外束張拉的錨塊和轉(zhuǎn)向塊，在必要時可以通過張拉備用鋼束補充后期所需的預(yù)應(yīng)力。

另外，加強施工及運營管理也是重要的措施之一，嚴(yán)格控制施工超方和車輛超載。

3 結(jié)語

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）已于2018年11月1日正式實施，該規(guī)范從設(shè)計精細化分析模型、正常使用極限狀態(tài)下抗裂驗算要求、預(yù)應(yīng)力損失、構(gòu)造要求等多方面對大跨度連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計提出了更高更嚴(yán)更系統(tǒng)的要求。這為控制并減少類似病害提供了規(guī)范層面的基礎(chǔ)。設(shè)計者在設(shè)計該類橋型時，應(yīng)予以足夠的重視。正確認(rèn)識長期下?lián)系臋C理，選擇合適的參數(shù)，采用合理的控制方法和設(shè)計方案，從設(shè)計源頭上控制好下?lián)?，才是解決問題的關(guān)鍵。