大跨徑砼剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)回顧與展望

曹衛(wèi)力

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣東分院,廣東 廣州 510075)

0 概述

預(yù)應(yīng)力砼剛構(gòu)橋外形簡(jiǎn)潔美觀、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)合理、結(jié)構(gòu)剛度大、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)成本低,在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在早期的設(shè)計(jì)、施工中均存在一定的問題,不少橋梁投入運(yùn)營后,普遍存在主跨豎向變形過大和箱梁腹板、底板、橫隔板開裂等病害,影響橋梁的正常使用和安全,結(jié)構(gòu)耐久性也受到嚴(yán)重影響,需要進(jìn)行大規(guī)模的維修、加固。如某主跨245m的五跨連續(xù)剛構(gòu)橋[1],因箱梁裂縫和跨中持續(xù)下?lián)?通車7年后被迫進(jìn)行限載和加固,教訓(xùn)深刻。

珠江海心崗大橋跨越珠江主航道—海心崗水道,是一座典型的大跨徑砼剛構(gòu)橋。主橋跨徑組合為138m+250m+138m, 設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)。該工程項(xiàng)目2002年8月完成初步設(shè)計(jì),2003年3月完成施工圖設(shè)計(jì)并主體工程開工建設(shè),2004年12月28日建成通車,目前安全運(yùn)營已近20年。通過持續(xù)近20年的跨中變形監(jiān)測(cè)和質(zhì)量檢測(cè),驗(yàn)證了當(dāng)時(shí)計(jì)算分析和主要構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

1 設(shè)計(jì)工作回顧

1.1 調(diào)研類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)營狀態(tài)

該橋設(shè)計(jì)過程的前期,對(duì)同類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大范圍的技術(shù)調(diào)研,收集了部分橋梁的設(shè)計(jì)圖紙、竣工資料、檢測(cè)評(píng)定報(bào)告等,實(shí)地踏勘了解橋梁運(yùn)營狀態(tài),歸納出以下砼連續(xù)剛構(gòu)橋共性的問題:

(1)結(jié)構(gòu)(主構(gòu)件)承載能力不足導(dǎo)致開裂,主要表征有跨中箱梁底板橫向裂縫超標(biāo)、箱梁頂板內(nèi)側(cè)縱向裂縫超標(biāo)、箱梁腹板斜裂縫超標(biāo)等。

(2)結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)構(gòu)造設(shè)計(jì)不足產(chǎn)生應(yīng)力(內(nèi)力)集中導(dǎo)致開裂,主要表征有頂板承托處縱向微裂縫、主跨底板縱向裂縫、0號(hào)塊橫隔板豎向裂縫等。

(3)懸臂節(jié)段施工線形控制不嚴(yán),后期增加梁體調(diào)平層,導(dǎo)致恒載增加(超方)。

(4)縱向預(yù)應(yīng)力索、豎向預(yù)應(yīng)力束施工質(zhì)量保證率不高等施工缺陷。

(5)構(gòu)件開裂導(dǎo)致截面剛度下降,主跨跨中豎向撓度偏大。

1.2 主要設(shè)計(jì)方法與對(duì)策

1.2.1 全面精細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析一般包括結(jié)構(gòu)的整體分析和局部計(jì)算分析,計(jì)算目的主要在于掌握結(jié)構(gòu)整體力學(xué)行為和局部應(yīng)力分布,確保結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)營過程中的安全。計(jì)算分析的主要內(nèi)容:(1)結(jié)構(gòu)立面內(nèi)力及應(yīng)力分布;(2)箱梁剪滯效應(yīng)、偏心荷載的扭矩分布及扭轉(zhuǎn)的法向應(yīng)力對(duì)平面模型分析的修正;(3)結(jié)構(gòu)空間動(dòng)力模態(tài)及穩(wěn)定分析;(4)箱梁0號(hào)塊局部分析及墩與承臺(tái)、樁基連接部位的局部分析;(5)徐變參數(shù)、預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移的影響。

上述計(jì)算分析共建立了四種計(jì)算模型,其中平面桿系模型計(jì)算用以解決(1)、(5)類問題;塊-殼組合模型整體仿真計(jì)算[2]用以解決(2)類問題;空間單梁模型計(jì)算用以解決(3)類問題;塊體有限元模型[2]計(jì)算用以解決(4)類問題。四類計(jì)算模型的簡(jiǎn)圖見表1。

表1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

多個(gè)程序互相校驗(yàn)并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。對(duì)比平面桿系程序計(jì)算和全橋的仿真分析計(jì)算結(jié)果,可以得到主梁主要控制斷面在對(duì)稱活載和非對(duì)稱活載作用下的應(yīng)力增大系數(shù)(主要是剪力滯效應(yīng))以及在恒載時(shí)的應(yīng)力增大系數(shù)(表2),這些系數(shù)為平面計(jì)算參數(shù)修正提供依據(jù)。從表2中的結(jié)論分析,應(yīng)力增大系數(shù)值在0.98～1.36之間,設(shè)計(jì)常規(guī)采用1.15的偏載系數(shù),對(duì)部分?jǐn)嗝嬗?jì)算結(jié)果偏小。

表2 主梁控制斷面應(yīng)力增大系數(shù)

1.2.2 選擇合理的預(yù)應(yīng)力體系并貫徹動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念

根據(jù)前期調(diào)研的工程質(zhì)量現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)選擇塑料波紋管、預(yù)應(yīng)力真空灌漿工藝解決超長索摩阻損失大、管道灌漿不密實(shí)等通病。設(shè)計(jì)預(yù)留懸臂澆筑階段調(diào)束的條件,結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試,及時(shí)調(diào)整懸臂索。為避免因施工及其它不可預(yù)知的因素,設(shè)置縱向體外預(yù)應(yīng)力預(yù)備索,同時(shí)設(shè)置轉(zhuǎn)向和錨固構(gòu)件,以備運(yùn)營階段需要時(shí)可對(duì)主梁縱向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整。

首次提出仿照斜拉橋的施工監(jiān)控原理,通過參數(shù)識(shí)別進(jìn)行結(jié)構(gòu)重分析計(jì)算和預(yù)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì),盡量使調(diào)整后的計(jì)算與實(shí)際相符。設(shè)計(jì)根據(jù)測(cè)試報(bào)告[3]的結(jié)論,及時(shí)將原設(shè)計(jì)采用的管道摩阻系數(shù)μ=0.15和 管道偏差系數(shù)k=0.001調(diào)整為μ=0.20和k=0.002,根據(jù)計(jì)算分析調(diào)整縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。同時(shí)會(huì)同施工、監(jiān)測(cè)單位,核查現(xiàn)場(chǎng)懸臂澆筑線形,調(diào)整懸臂澆筑立模標(biāo)高,優(yōu)化合攏施工措施,保障合攏精度。

1.2.3 重視應(yīng)力集中引發(fā)砼局部開裂的病害

受溫度效應(yīng)、砼收縮和預(yù)應(yīng)力束錨固等內(nèi)外部荷載的作用,砼剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問題比較突出,由此引發(fā)的砼局部開裂病害普遍存在,需要設(shè)計(jì)對(duì)砼開裂病害的機(jī)理進(jìn)行深入分析,并制定相應(yīng)的對(duì)策。設(shè)計(jì)提出通過優(yōu)化構(gòu)造和增加配筋(束)的措施,克服應(yīng)力集中導(dǎo)致砼裂縫的問題。對(duì)0號(hào)塊橫隔板、跨中底板、腹板承托、錨固齒板等重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行構(gòu)造優(yōu)化調(diào)整,結(jié)合塊體有限元模型[2]計(jì)算反映的應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)行針對(duì)性配筋(束)的設(shè)計(jì)。

0號(hào)塊橫隔板橫橋向未計(jì)橫向預(yù)應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力云圖如圖1所示。從圖1可見,在人洞左上方,隔板橫向拉應(yīng)力已超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,類似結(jié)構(gòu)的橫隔板在此區(qū)域普遍存在開裂。設(shè)計(jì)首次對(duì)橫隔板布置了橫橋向預(yù)應(yīng)力,實(shí)踐證明這一抗裂措施是十分有效的,也是非常必要的。

圖1 0號(hào)塊橫隔板橫橋向未計(jì)預(yù)應(yīng)力時(shí)應(yīng)力云圖

跨中底板橫橋向在底板預(yù)應(yīng)力徑向力作用時(shí)的應(yīng)力云圖如圖2所示。從圖2可見,在跨中底板中部,預(yù)應(yīng)力束徑向力導(dǎo)致橫橋向拉應(yīng)力較大。如果疊加懸臂澆筑施工誤差導(dǎo)致的應(yīng)力集中的因素,會(huì)加劇底板縱向開裂的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)對(duì)策是加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力在底板內(nèi)防崩鋼筋的構(gòu)造設(shè)計(jì),結(jié)合合攏塊和體外束錨固塊的構(gòu)造,一體化設(shè)置了4道橫向小橫肋,提高底板抗裂韌性,有效地防止了此類裂縫的發(fā)生。

圖2 底板橫橋向在預(yù)應(yīng)力作用時(shí)應(yīng)力云圖

1.2.4 應(yīng)用“包絡(luò)”理念提高結(jié)構(gòu)的韌性

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)核心在于縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的合理性。不少理論計(jì)算能通過《規(guī)范》的橋梁,運(yùn)營過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷,其主要原因在于設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)橋建造運(yùn)營的差異偏大所致。對(duì)懸臂現(xiàn)澆達(dá)二、三十個(gè)梁段的大跨徑箱梁而言,受節(jié)段施工周期長及施工條件等因素的影響,導(dǎo)致砼的力學(xué)性能存在較大的離散。橋梁通用計(jì)算軟件在砼收縮、徐變效應(yīng)仿真分析上存在較大的不確定性,在中小跨徑結(jié)構(gòu)上因整體應(yīng)力水平低,即使存在一定的誤差也不一定出現(xiàn)問題;但是對(duì)大跨徑砼箱梁結(jié)構(gòu),主要控制斷面砼處于高應(yīng)力狀態(tài)下,再疊加計(jì)算偏差,產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)病害就成為大概率事件。針對(duì)上述特點(diǎn),設(shè)計(jì)在材料力學(xué)性能指標(biāo)上應(yīng)從嚴(yán)把控,對(duì)仿真分析需要通過兩套以上計(jì)算程序的校驗(yàn),以更準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)和應(yīng)力水平。

包絡(luò)分析方法一般用于數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)范疇,該方法通過對(duì)若干關(guān)鍵要素的變化、統(tǒng)計(jì)或推理研究對(duì)象的極值。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算借鑒上述思想,將對(duì)計(jì)算結(jié)論產(chǎn)生不同程度影響的變量進(jìn)行梳理,通過對(duì)變量不同取值的對(duì)比計(jì)算,進(jìn)行參數(shù)識(shí)別與分類,以期判讀出結(jié)構(gòu)的極限受荷狀態(tài),提升結(jié)構(gòu)總體受荷韌性。具體到大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋,對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響的變量主要有以下三類:材料的力學(xué)參數(shù)(砼收縮、徐變系數(shù))、施工的保證率(預(yù)應(yīng)力張拉效率、砼超方率)、計(jì)算程序的局限。不同的橋梁計(jì)算軟件對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果存在不同程度的差異,需要設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行多套程序平行計(jì)算比對(duì)。該橋設(shè)計(jì)中平面計(jì)算采用三套橋梁專用程序進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明計(jì)算程序在溫度效應(yīng)、砼收縮徐變效應(yīng)、預(yù)應(yīng)力二次彎矩、主梁跨中變形等方面存在不同程度的差異,部分計(jì)算結(jié)果甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的負(fù)面影響。

2 主橋歷年線形監(jiān)測(cè)及檢測(cè)情況

珠江海心崗大橋通車前,通過動(dòng)、靜載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)狀態(tài)滿足相關(guān)要求。通車2年前后,監(jiān)控部門進(jìn)行結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè),檢測(cè)報(bào)告[4]中主橋應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明:主梁監(jiān)控的主要截面(墩頂、跨中、1/4L)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果正常,符合設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果,但左、右幅箱梁跨中斷面應(yīng)變變化趨勢(shì)不同(右幅應(yīng)變?cè)黾?、左幅?yīng)變降低)。結(jié)合2020年度珠江特大橋線形檢測(cè)報(bào)告[6]的結(jié)論,得到通車后特征年的主梁跨中下?lián)衔灰?表3)與通車15年跨中歷年豎向下?lián)衔灰茍D(圖3)。從表3的結(jié)果分析看,左、右幅跨中特征年豎向變形值均大于計(jì)算值,其中理論計(jì)算5年豎向位移最大為92mm,與右幅監(jiān)測(cè)值較吻合。從圖3的歷年豎向位移分析可以看出:前2年主梁跨中豎向位移發(fā)展最快,10年后豎向位移達(dá)到峰值并收斂,驗(yàn)證了10年后收縮應(yīng)變值和徐變系數(shù)值的增長基本中止。

圖3 主梁跨中歷年位移(單位:mm)

表3 主梁跨中豎向位移

珠江海心崗大橋(主橋)定期檢測(cè)報(bào)告(2022)的結(jié)論表明:左幅橋技術(shù)等級(jí)評(píng)分81.5分,右幅橋技術(shù)等級(jí)評(píng)分81.9分,全橋技術(shù)等級(jí)評(píng)分81.5分,評(píng)定等級(jí)為2類,橋梁主要部件完好,橋梁處于較好狀態(tài);全橋砼結(jié)構(gòu)裂縫檢查情況良好,基本未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫,尤其是跨中箱梁底板和墩頂箱梁頂板未檢出橫向裂縫,箱梁頂板內(nèi)側(cè)承托縱向裂縫及施工局部裂縫縫寬均在《規(guī)范》允許范圍類,且未見明顯發(fā)展。

綜合歷年線形監(jiān)測(cè)及檢測(cè)報(bào)告,經(jīng)過近二十年的安全運(yùn)營,橋梁主體結(jié)構(gòu)完好,特別是主跨跨中豎向位移基本收斂,未發(fā)生跨中底板U型裂縫,設(shè)計(jì)預(yù)留的縱向預(yù)應(yīng)力束暫未張拉。計(jì)算分析表明,后期束的張拉對(duì)跨中截面應(yīng)力及豎向位移影響有限,判斷未來也沒有張拉的必要。目前橋梁狀態(tài)證實(shí)前期設(shè)計(jì)計(jì)算理論的前瞻性、科學(xué)性,充分體現(xiàn)了精細(xì)化設(shè)計(jì)計(jì)算的價(jià)值。

3 展望

借鑒珠江海心崗大橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與理念,在后續(xù)設(shè)計(jì)的十余座大跨砼剛構(gòu)橋中均得到應(yīng)用,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。其中有深水高樁基礎(chǔ)的廣明高速公路富灣西江特大橋,主橋采用112m+200m+200m+112m跨徑;廣州南沙鳧州大橋,主橋采用72m+130m+130m+72m跨徑;有超低墩跨比的廣州繞城高速公路南環(huán)段順德支流特大橋,主橋采用102m+160m+90m跨徑;有高地震基本烈度區(qū)的四川蒼溪縣嘉陵江二橋工程,主橋采用71m+110m+110m+63m跨徑;四川閬中市嘉陵江三橋工程,主橋采用85m+148m+85m跨徑等。

雖然施工裝備技術(shù)和設(shè)計(jì)計(jì)算手段在不斷發(fā)展,但目前受到普通砼材料性能的限制,大跨徑連續(xù)剛構(gòu)體系的跨徑難以超越250m,需要橋梁界繼續(xù)努力去探索。展望現(xiàn)實(shí)的工程需要,攻克跨徑280～300m的砼連續(xù)剛構(gòu)橋,以滿足內(nèi)河I級(jí)航道250m寬的尺度需求,將充分拓展連續(xù)剛構(gòu)體系的應(yīng)用范圍。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),需要研發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)砼[7]和高性能預(yù)應(yīng)力錨固體系。

4 結(jié)語

在交通強(qiáng)國高質(zhì)量發(fā)展的時(shí)代背景下,隨著對(duì)工程材料和裝備的持續(xù)提升,工廠化預(yù)制等智慧建造手段的應(yīng)用,大跨連續(xù)剛構(gòu)體系結(jié)構(gòu)剛度大、建造養(yǎng)護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)會(huì)更顯著。