特大橋連續(xù)梁跨中下?lián)霞案拱蹇拐鸱懒言O(shè)計(jì)研究

孫佳星

(平頂山市公路交通勘察設(shè)計(jì)院 平頂山 467000)

0 引言

跨中下?lián)?、腹板開裂是大跨度連續(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?yán)重。跨中下?lián)?、腹板開裂等問題仍是困擾特大連續(xù)橋梁建設(shè)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(xiàn)為：

(1)收縮徐變的影響：收縮徐變會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響顯著增強(qiáng)。對(duì)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(shí)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(yù)應(yīng)力損失的影響：混凝土收縮徐變、彈性壓縮、鋼筋與臺(tái)座間溫差、鋼束松弛、鋼筋回縮、管道摩擦、接縫壓縮等都會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。在施工與成橋階段，預(yù)應(yīng)力損失值最大，成橋時(shí)腹板束可損失21%～24%的預(yù)應(yīng)力，跨中底板束可損失15%～25%的預(yù)應(yīng)力[1]，而腹板束的有效應(yīng)力損失最多。成橋1年內(nèi)，連續(xù)梁跨中預(yù)應(yīng)力損失最快，成橋10年和成橋1年的跨中底板束預(yù)應(yīng)力損失相比，增加了2.75%，跨中下?lián)狭侩S著成橋時(shí)間的增加而增大。所以，設(shè)計(jì)連續(xù)梁時(shí)要注意跨中底板束有效應(yīng)力是否充足。對(duì)于箱梁腹板，豎向預(yù)應(yīng)力的損失嚴(yán)重影響腹板主應(yīng)力，豎向應(yīng)力的不足是導(dǎo)致腹板開裂的主因之一，而縱向腹板束的預(yù)應(yīng)力損失則嚴(yán)重影響腹板主應(yīng)力，為此設(shè)計(jì)及施工過程中，要確?？v向、豎向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼束不變，橋梁撓度也隨之增加，增大腹板厚度會(huì)加快成橋跨中和邊跨撓度的增大[2]。若不改變預(yù)應(yīng)力鋼筋，增加根部梁高能夠降低連續(xù)鋼構(gòu)橋跨中、邊跨撓度，鋼構(gòu)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(nèi)的主拉應(yīng)力加大，近邊支座處、跨中近梁段的主拉應(yīng)力則減少。增加腹板厚度，上緣應(yīng)力減小，橋梁自重和全橋撓度均增加。若不改變預(yù)應(yīng)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(yīng)力。

1 工程概況

本工程為黃河特大連續(xù)橋梁，全長8127m，IV級(jí)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?yàn)?×(80+8×120+80)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，橋?qū)?×16.56m，為上下分離式。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力為高強(qiáng)螺紋鋼筋，縱向預(yù)應(yīng)力為低松弛高強(qiáng)度鋼筋。支點(diǎn)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(zhuǎn)角均設(shè)置過渡倒角。箱梁跨中、中支點(diǎn)、兩邊支點(diǎn)設(shè)置橫梁，分別是0.3m、3.0m和2.5m的厚度，并設(shè)置過人孔。箱梁階段：0號(hào)階段為12m，單個(gè)懸澆“T”縱向?qū)ΨQ為15個(gè)階段，懸澆總長度為53m，中跨合龍為2.0m，邊跨長18.35m。下部結(jié)構(gòu)為箱型墩，墩身選用C40混凝土，基樁為C30混凝土，承臺(tái)為C35混凝土，主橋設(shè)計(jì)效果見圖1。

圖1 黃河特大橋連續(xù)梁主橋總體設(shè)計(jì)效果

2 跨中下?lián)虾透拱彘_裂的防控技術(shù)措施

針對(duì)黃河特大橋連續(xù)梁自身特征，采用了多種預(yù)防性設(shè)計(jì)及控制技術(shù)，以防范或控制可能出現(xiàn)的跨中下?lián)虾透拱彘_裂問題。

2.1 預(yù)應(yīng)力束設(shè)計(jì)

連續(xù)梁底板縱向壓力過大，會(huì)造成橫向拉應(yīng)力的過大，減弱混凝土的抗拉性，橫向拉應(yīng)力過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致縱向裂縫。而連續(xù)梁底板索布置太多則導(dǎo)致底板挖空率大，造成箱梁底板的開裂，出現(xiàn)橋梁下?lián)蟍3]。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)要控制縱向預(yù)應(yīng)力束、底板挖空率，降低連續(xù)梁的橫向拉應(yīng)力，避免底板裂縫，降低跨中下的撓速度。

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

圖2 整體錨墊板示意圖

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

圖3 豎向預(yù)應(yīng)力張拉示意圖

通常情況下，箱梁腹板的主拉應(yīng)力與豎直方向的夾角是45°左右，但豎向預(yù)應(yīng)力的作用會(huì)發(fā)生折減，在考慮可行性的情況下，將豎向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力和橋梁的豎向夾角設(shè)置為20°,以增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力抗剪效率[7]。

由零彎矩理論設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼束。連續(xù)梁出現(xiàn)跨中下?lián)现饕芑炷潦湛s徐變、施工環(huán)節(jié)累計(jì)位移的影響較大，這是因?yàn)檫B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(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的彎矩抵消了箱梁自重形成的彎矩，導(dǎo)致連續(xù)梁僅受壓而不受彎，進(jìn)而對(duì)混凝土收縮徐變所致的撓度進(jìn)行有效控制[8]。盡管在實(shí)踐中梁體橫截面所能配置的預(yù)應(yīng)力度有限，無法滿足零彎矩要求，但在設(shè)計(jì)中要盡可能地接近此狀態(tài)。本設(shè)計(jì)將超長預(yù)應(yīng)力束分成較短且等長的預(yù)應(yīng)力束，且增加了腹板備用束，這樣能夠增強(qiáng)箱梁底部預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備，適當(dāng)增加墩頂上緣的應(yīng)力，下緣應(yīng)力適度減小，以提升梁段的整體預(yù)應(yīng)力。同時(shí)也降低了張拉中的摩阻損失，降低了成橋后墩頂?shù)念A(yù)應(yīng)力度損失，預(yù)應(yīng)力束利用率得到提升。橋梁運(yùn)營后，張拉后期備用束能夠增強(qiáng)梁體L/4處斜截面的抗剪能力，降低梁段腹板的主拉應(yīng)力，防止腹板因主拉應(yīng)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(shè)梁底板鋼骨架

特大跨梁底板、頂板的應(yīng)力梯度差可導(dǎo)致梁體的上下緣徐變不均勻，成橋后頂板預(yù)應(yīng)力的損失、車載作用等都會(huì)加劇梁體的應(yīng)力梯度，一旦底板徐變變形高于頂板變形，便會(huì)導(dǎo)致跨中下?lián)?。在?fù)彎矩箱梁底板加設(shè)一定的高強(qiáng)度鋼骨架，強(qiáng)化底板剛度，能夠降低底邊徐變系數(shù)，而成橋后的長期徐變也會(huì)大幅下降，進(jìn)而有效控制跨中的長期下?lián)喜『?。為此，本設(shè)計(jì)選用Q345型鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，于梁段底板處布置，單個(gè)梁段橫向?qū)ΨQ布置9根，施工間分段預(yù)制，管內(nèi)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(hù)問題，采用工字梁組合斷面。施工時(shí)用吊機(jī)將橋面板和兩片鋼梁組合為一榀，而后整體預(yù)制吊裝架設(shè)。對(duì)于負(fù)彎矩開裂問題，采用“抗拔不抗剪連接技術(shù)”。鋼箱梁有中隔板、腹板、支點(diǎn)隔板、底板、頂板和相應(yīng)加勁肋構(gòu)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(yīng)對(duì)措施

2.3.1 橋面恒載系

取消二期恒載(10cm)混凝土調(diào)平層，這是因?yàn)檫\(yùn)用FRP瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土厚度約8cm，F(xiàn)RP能提升橋體耐久性與整體性，F(xiàn)RP與瀝青混凝土可將橋面抗拔力提升2～3倍。FRP可增強(qiáng)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(nèi)，施工誤差控制在2cm內(nèi)，所以無須調(diào)平層。采用FRP-瀝青混凝土結(jié)構(gòu)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)?。?jì)算顯示，相對(duì)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(yù)制拼裝方式進(jìn)行施工。施工前，現(xiàn)澆支座時(shí)對(duì)邊跨展開預(yù)壓處理，避免非彈性變形的發(fā)生，預(yù)壓荷載盡量低于梁體自重的1.2倍。合龍時(shí)，鎖定前應(yīng)先測量合龍口標(biāo)高，標(biāo)高誤差和合龍口的相對(duì)高差需符合設(shè)計(jì)要求。合龍段施工必須依據(jù)合龍溫度設(shè)計(jì)時(shí)的鎖定裝置。拉桿為連續(xù)預(yù)應(yīng)力筋，在接觸鎖定裝置時(shí)放松預(yù)應(yīng)力筋。轉(zhuǎn)換連續(xù)鋼構(gòu)體系時(shí)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及程序進(jìn)行，每階段的連續(xù)預(yù)應(yīng)力筋都應(yīng)及時(shí)張拉。

混凝土配合比必須符合強(qiáng)度要求，注重混凝土收縮徐變的長期性和耐久性，依據(jù)施工季節(jié)的不同、現(xiàn)場情況等通過現(xiàn)場試驗(yàn)確保混凝土的最佳配比。混凝土澆筑易出現(xiàn)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(zhì)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(yán)密，無漏漿、漏刷，且分層均勻振搗密實(shí)，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(shù)均應(yīng)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(dòng)器作用長度的1.25倍，控制好振搗時(shí)間。鋼筋密集處應(yīng)澆筑細(xì)石混凝土，于拐點(diǎn)預(yù)留孔灌筑混凝土并振搗密實(shí)，振搗時(shí)采用交錯(cuò)式或行列式順序移動(dòng)，防止出現(xiàn)漏振。灌注混凝土?xí)r傾落高度應(yīng)低于2m，一旦超過2m用串筒、溜槽下料，及時(shí)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(yīng)檢查保護(hù)層厚度及鋼筋位置的準(zhǔn)確性，固定好墊塊，每隔1m綁一個(gè)墊塊，鋼筋密集處灌注的碎石粒徑應(yīng)低于鋼筋徑距的3/4，但當(dāng)鋼筋密集且結(jié)構(gòu)截面小時(shí)澆筑細(xì)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(xiàn)移位。

對(duì)于連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力質(zhì)量的控制，加密張拉端鋼筋、螺旋筋等嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工，以緩沖此處應(yīng)力，以免張拉端出現(xiàn)坍塌，張拉時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)齡期、彈模及強(qiáng)度進(jìn)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(shí)禁止出現(xiàn)硬傷，禁止以鋼絞線做地線，嚴(yán)格控制下料全程。安裝錨墊板、波紋管時(shí)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(diǎn)。從而防止出現(xiàn)張拉時(shí)鋼絞線發(fā)生絞斷。同時(shí)，在齒板處嚴(yán)格按照?qǐng)D紙加設(shè)防崩鋼筋，準(zhǔn)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(yīng)控制到位，如果梁在曲線上，波紋管應(yīng)設(shè)置徑向防崩鋼筋，以防出現(xiàn)開裂。底板開裂通常是波紋管定位失準(zhǔn)，或未加設(shè)防崩鋼筋所致，因此應(yīng)嚴(yán)格控制。張拉時(shí)還要確?；炷笼g期、彈模及強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。特別要嚴(yán)格控制整個(gè)連續(xù)梁預(yù)應(yīng)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(zhì)量意識(shí)，布設(shè)測量點(diǎn)要注意其不穩(wěn)定性變化，并加強(qiáng)固定，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)還要進(jìn)行換手復(fù)測。施工過程中要按設(shè)計(jì)尺寸控制好模板，確保誤差在允許范圍內(nèi)。

3 結(jié)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須充分考慮跨中下?lián)稀⒏拱彘_裂的影響因素，通常情況下，預(yù)應(yīng)力損失、腹板厚度、梁高、收縮徐變等因素是導(dǎo)致跨中下?lián)虾透拱彘_裂的主要因素。為此，要做好縱向預(yù)應(yīng)力束配置，盡量使預(yù)應(yīng)力度確保結(jié)構(gòu)逼近零彎矩狀態(tài)。腹板下彎束要廣泛覆蓋腹板，高度應(yīng)超過腹板高度的1/3。豎向預(yù)應(yīng)力要運(yùn)用二次張拉技術(shù)，采用高強(qiáng)鋼絞線束，確保預(yù)應(yīng)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(dāng)確定徐變系數(shù)、材料參數(shù)等，并確保其設(shè)計(jì)的前瞻性。施工過程中，要科學(xué)合理制定施工計(jì)劃，制定合理的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，混凝土配合比中，各項(xiàng)材料的參數(shù)比必須通過試驗(yàn)確定，強(qiáng)化混凝土養(yǎng)護(hù)及振搗。