特大橋連續(xù)梁跨中下?lián)霞案拱蹇拐鸱懒言O計研究

孫佳星

(平頂山市公路交通勘察設計院 平頂山 467000)

0 引言

跨中下?lián)稀⒏拱彘_裂是大跨度連續(xù)橋梁的常見病害，直接影響著橋梁的安全性、耐久性。隨著跨度的增加，橋梁梁體開裂和跨中下?lián)细訃乐??？缰邢聯(lián)?、腹板開裂等問題仍是困擾特大連續(xù)橋梁建設的主要問題。影響特大橋連續(xù)梁跨中下?lián)?、腹板開裂的因素很多，主要表現為：

(1)收縮徐變的影響：收縮徐變會增加全橋撓度，跨中撓度變化最為明顯，澆筑施工期混凝土收縮徐變的影響較小，但成橋后其對結構應力的影響顯著增強。對于成橋跨中最大撓度，考慮混凝土收縮徐變撓度值后，其撓度較不考慮混凝土收縮徐變時將近增加一半，顯然，在連續(xù)梁跨中下?lián)嫌绊懸蛩刂?，不能忽視混凝土的收縮徐變作用。

(2)預應力損失的影響：混凝土收縮徐變、彈性壓縮、鋼筋與臺座間溫差、鋼束松弛、鋼筋回縮、管道摩擦、接縫壓縮等都會導致預應力損失。在施工與成橋階段，預應力損失值最大，成橋時腹板束可損失21%～24%的預應力，跨中底板束可損失15%～25%的預應力[1]，而腹板束的有效應力損失最多。成橋1年內，連續(xù)梁跨中預應力損失最快，成橋10年和成橋1年的跨中底板束預應力損失相比，增加了2.75%，跨中下?lián)狭侩S著成橋時間的增加而增大。所以，設計連續(xù)梁時要注意跨中底板束有效應力是否充足。對于箱梁腹板，豎向預應力的損失嚴重影響腹板主應力，豎向應力的不足是導致腹板開裂的主因之一，而縱向腹板束的預應力損失則嚴重影響腹板主應力，為此設計及施工過程中，要確?？v向、豎向預應力的充足。

(3)腹板厚度及梁高的影響：增加腹板厚度，橋梁自重也增加，若預應力鋼束不變，橋梁撓度也隨之增加，增大腹板厚度會加快成橋跨中和邊跨撓度的增大[2]。若不改變預應力鋼筋，增加根部梁高能夠降低連續(xù)鋼構橋跨中、邊跨撓度，鋼構橋撓度也隨梁高的增加而增大。增加截面腹板厚度，近主墩1/3跨度內的主拉應力加大，近邊支座處、跨中近梁段的主拉應力則減少。增加腹板厚度，上緣應力減小，橋梁自重和全橋撓度均增加。若不改變預應力鋼束，增加根部截面高度則橋撓度減小，增加跨中截面高度能夠增大全橋主拉應力。

1 工程概況

本工程為黃河特大連續(xù)橋梁，全長8127m，IV級航道，主橋長度不小于2000m，主跨跨度不低于120m，跨徑布置形式為(80+8×120+80)m+(80+8×120+80)m， 全長2240m，主跨120m，最大梁長1120m。主橋為2×(80+8×120+80)m預應力混凝土連續(xù)梁橋，橋寬2×16.56m，為上下分離式。上部結構為預應力混凝土變截面連續(xù)梁，邊跨、中跨比為0.67。箱梁為單箱單室截面，底板寬為8.5m，頂板寬為16.56m，翼緣懸臂長度為4.03m，主梁為C55混凝土，豎向預應力為高強螺紋鋼筋，縱向預應力為低松弛高強度鋼筋。支點梁高為7.5m，主跨跨中及邊跨直線段處梁高為3.5m，變化段梁底曲線為1.8次拋物線。箱梁底板、頂板厚度分別為0.32～0.95m、0.3m，變化拋物線為1.8次，腹板厚度0.6～0.8m，端部0.2m，懸臂板根部0.8m厚，截面轉角均設置過渡倒角。箱梁跨中、中支點、兩邊支點設置橫梁，分別是0.3m、3.0m和2.5m的厚度，并設置過人孔。箱梁階段：0號階段為12m，單個懸澆“T”縱向對稱為15個階段，懸澆總長度為53m，中跨合龍為2.0m，邊跨長18.35m。下部結構為箱型墩，墩身選用C40混凝土，基樁為C30混凝土，承臺為C35混凝土，主橋設計效果見圖1。

圖1 黃河特大橋連續(xù)梁主橋總體設計效果

2 跨中下?lián)虾透拱彘_裂的防控技術措施

針對黃河特大橋連續(xù)梁自身特征，采用了多種預防性設計及控制技術，以防范或控制可能出現的跨中下?lián)虾透拱彘_裂問題。

2.1 預應力束設計

連續(xù)梁底板縱向壓力過大，會造成橫向拉應力的過大，減弱混凝土的抗拉性，橫向拉應力過大時會導致縱向裂縫。而連續(xù)梁底板索布置太多則導致底板挖空率大，造成箱梁底板的開裂，出現橋梁下?lián)蟍3]。為此，在設計時要控制縱向預應力束、底板挖空率，降低連續(xù)梁的橫向拉應力，避免底板裂縫，降低跨中下的撓速度。

豎向預應力通常采用粗精軋螺紋型鋼筋，此鋼筋易導致回縮，從而導致連續(xù)梁發(fā)生豎向預應力的損失，為此應采用高強預應力鋼絞線，并布置整體錨墊板(圖2)，以降低局部的豎向預應力損失，且方便豎向預應力筋的二次張拉施工。

圖2 整體錨墊板示意圖

主拉應力區(qū)域布置預應力束，特大橋連續(xù)梁豎向預應力束應高于主拉應力處運用二次張拉鋼絞線束，以降低短束預應力的損失。下彎束接近主拉應力，可對主拉應力進行有效控制，所以布置下彎束能夠擴大其控制作用。提升豎向預應力效率和降低其損失是增強箱梁腹板截面抗剪力的重要方法，提高腹板剪應力和主拉應力，能夠避免腹板開裂。而應用二次張拉鋼絞線則可有效控制預應力損失(圖3)。二次張拉預應力理論指出，首次用錨杯夾片夾住預應力鋼絞線，第二次則張拉錨杯至設計參數，而后以螺母擰緊固定?，F有實驗[4]和文獻[5]結果顯示，二次張拉預應力的回縮損失非常小，鋼絞線的預應力效率卻比較高，通過二次張拉預應力可有效將預應力損失控制于20%以內。

圖3 豎向預應力張拉示意圖

通常情況下，箱梁腹板的主拉應力與豎直方向的夾角是45°左右，但豎向預應力的作用會發(fā)生折減，在考慮可行性的情況下，將豎向預應力筋傾斜角度布置為15°～25°，以提高其抗剪效率，從而提高控制箱梁腹板裂縫的效果[6]。為此，本文將豎向預應力和橋梁的豎向夾角設置為20°,以增強預應力抗剪效率[7]。

由零彎矩理論設計預應力鋼束。連續(xù)梁出現跨中下?lián)现饕芑炷潦湛s徐變、施工環(huán)節(jié)累計位移的影響較大，這是因為連續(xù)梁受到彎矩作用。零彎矩理論指出，在混凝土連續(xù)橋梁的懸臂施工中，頂板上緣預應力所產生的彎矩抵消了箱梁自重形成的彎矩，導致連續(xù)梁僅受壓而不受彎，進而對混凝土收縮徐變所致的撓度進行有效控制[8]。盡管在實踐中梁體橫截面所能配置的預應力度有限，無法滿足零彎矩要求，但在設計中要盡可能地接近此狀態(tài)。本設計將超長預應力束分成較短且等長的預應力束，且增加了腹板備用束，這樣能夠增強箱梁底部預應力儲備，適當增加墩頂上緣的應力，下緣應力適度減小，以提升梁段的整體預應力。同時也降低了張拉中的摩阻損失，降低了成橋后墩頂的預應力度損失，預應力束利用率得到提升。橋梁運營后，張拉后期備用束能夠增強梁體L/4處斜截面的抗剪能力，降低梁段腹板的主拉應力，防止腹板因主拉應力過大而發(fā)生裂縫，箱梁的整體耐久性、穩(wěn)定性得到提高[9-10]。

2.2 架設梁底板鋼骨架

特大跨梁底板、頂板的應力梯度差可導致梁體的上下緣徐變不均勻，成橋后頂板預應力的損失、車載作用等都會加劇梁體的應力梯度，一旦底板徐變變形高于頂板變形，便會導致跨中下?lián)?。在負彎矩箱梁底板加設一定的高強度鋼骨架，強化底板剛度，能夠降低底邊徐變系數，而成橋后的長期徐變也會大幅下降，進而有效控制跨中的長期下?lián)喜『?。為此，本設計選用Q345型鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，于梁段底板處布置，單個梁段橫向對稱布置9根，施工間分段預制，管內一同澆筑混凝土，每節(jié)鋼管均焊接連接。

考慮到特大跨梁鋼腹板及中梁的穩(wěn)定性和后期養(yǎng)護問題，采用工字梁組合斷面。施工時用吊機將橋面板和兩片鋼梁組合為一榀，而后整體預制吊裝架設。對于負彎矩開裂問題，采用“抗拔不抗剪連接技術”。鋼箱梁有中隔板、腹板、支點隔板、底板、頂板和相應加勁肋構成，頂板為U型加勁肋，底板為板肋或T肋。U肋間距600mm左右，開口肋300mm左右，同鋼箱梁的上翼緣板一起承受外力。

2.3 其他應對措施

2.3.1 橋面恒載系

取消二期恒載(10cm)混凝土調平層，這是因為運用FRP瀝青混凝土結構，混凝土厚度約8cm，FRP能提升橋體耐久性與整體性，FRP與瀝青混凝土可將橋面抗拔力提升2～3倍。FRP可增強混凝土頂板的其他受力性能，加大梁高，橋體剛度加大，其變形縮減30%～50%。一期恒載變形在10cm內，施工誤差控制在2cm內，所以無須調平層。采用FRP-瀝青混凝土結構能夠降低橋體二期的恒載自重。

2.3.2 施工控制

混凝土超方可增加全橋撓度，加劇中跨后期的下?lián)?。計算顯示，相對于未超方梁體，超方15%的梁體，成橋10年后邊跨撓度、中跨撓度分別增加45.7%和46.5%。在整體施工中，可采用懸臂先澆筑方法，盡可能地選用預制拼裝方式進行施工。施工前，現澆支座時對邊跨展開預壓處理，避免非彈性變形的發(fā)生，預壓荷載盡量低于梁體自重的1.2倍。合龍時，鎖定前應先測量合龍口標高，標高誤差和合龍口的相對高差需符合設計要求。合龍段施工必須依據合龍溫度設計時的鎖定裝置。拉桿為連續(xù)預應力筋，在接觸鎖定裝置時放松預應力筋。轉換連續(xù)鋼構體系時要嚴格按照設計要求及程序進行，每階段的連續(xù)預應力筋都應及時張拉。

混凝土配合比必須符合強度要求，注重混凝土收縮徐變的長期性和耐久性，依據施工季節(jié)的不同、現場情況等通過現場試驗確?；炷恋淖罴雅浔取；炷翝仓壮霈F空洞、蜂窩、缺棱倒角、露筋、施工縫夾層、麻面等問題，這將直接影響連續(xù)梁的質量。施工過程要清理干凈模板面，灌注前用水清洗干凈且無積水，保證模板縫的拼接嚴密，無漏漿、漏刷，且分層均勻振搗密實，排凈每層混凝土中氣泡。與箱梁的混凝土選用的配合比、材料等參數均應統(tǒng)一，均勻拌和，顏色一致，自由傾落的高度低于2m，澆筑厚度低于震動器作用長度的1.25倍，控制好振搗時間。鋼筋密集處應澆筑細石混凝土，于拐點預留孔灌筑混凝土并振搗密實，振搗時采用交錯式或行列式順序移動，防止出現漏振。灌注混凝土時傾落高度應低于2m，一旦超過2m用串筒、溜槽下料，及時清除混凝土中的雜物?；炷谅督钍怯绊戇B續(xù)梁跨中下?lián)虾透拱辶芽p的重要因素。灌注前應檢查保護層厚度及鋼筋位置的準確性，固定好墊塊，每隔1m綁一個墊塊，鋼筋密集處灌注的碎石粒徑應低于鋼筋徑距的3/4，但當鋼筋密集且結構截面小時澆筑細石混凝土。澆筑過程中，禁止用振搗棒撞擊鋼筋，以防鋼筋出現移位。

對于連續(xù)梁預應力質量的控制，加密張拉端鋼筋、螺旋筋等嚴格按照設計要求施工，以緩沖此處應力，以免張拉端出現坍塌，張拉時必須嚴格按照設計齡期、彈模及強度進行張拉。鋼絞線主要受力，必須注重鋼絞線的加工、張拉和壓漿等施工，下料時禁止出現硬傷，禁止以鋼絞線做地線，嚴格控制下料全程。安裝錨墊板、波紋管時要確保二者處于同一中心，張拉端槽口必須垂直于錨墊板中心線，以確保千斤頂中心與錨墊板、波紋管的中心在同一中心點。從而防止出現張拉時鋼絞線發(fā)生絞斷。同時，在齒板處嚴格按照圖紙加設防崩鋼筋，準確定位波紋管，防止其混凝土厚度不足。腹板處波紋管定位應控制到位，如果梁在曲線上，波紋管應設置徑向防崩鋼筋，以防出現開裂。底板開裂通常是波紋管定位失準，或未加設防崩鋼筋所致，因此應嚴格控制。張拉時還要確?；炷笼g期、彈模及強度滿足設計要求。特別要嚴格控制整個連續(xù)梁預應力的波紋管定位，確保其定位的一致性。

在連續(xù)梁線性控制上，要提高測量作業(yè)者的質量意識，布設測量點要注意其不穩(wěn)定性變化，并加強固定，以確保測量數據的準確性。為確保數據精準還要進行換手復測。施工過程中要按設計尺寸控制好模板，確保誤差在允許范圍內。

3 結語

黃河特大橋連續(xù)梁跨中下?lián)霞案拱彘_裂直接影響該橋的安全性和穩(wěn)定性，在橋梁設計環(huán)節(jié)必須充分考慮跨中下?lián)?、腹板開裂的影響因素，通常情況下，預應力損失、腹板厚度、梁高、收縮徐變等因素是導致跨中下?lián)虾透拱彘_裂的主要因素。為此，要做好縱向預應力束配置，盡量使預應力度確保結構逼近零彎矩狀態(tài)。腹板下彎束要廣泛覆蓋腹板，高度應超過腹板高度的1/3。豎向預應力要運用二次張拉技術，采用高強鋼絞線束，確保預應力束的剛度。充分考慮梁體下?lián)霞盎炷潦湛s徐變的長期性，恰當確定徐變系數、材料參數等，并確保其設計的前瞻性。施工過程中，要科學合理制定施工計劃，制定合理的養(yǎng)護時間，混凝土配合比中，各項材料的參數比必須通過試驗確定，強化混凝土養(yǎng)護及振搗。