預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)探究
2010-08-09
連續(xù)梁橋是工程上廣泛使用的一種橋型。它不但具有可靠的強(qiáng)度、剛度及抗裂性．而且具有行車平穩(wěn)舒適、養(yǎng)護(hù)工作量小、設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)成熟的特點(diǎn)，與其它橋型相比具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，常成為最佳橋型方案。通過(guò)多年參與、負(fù)責(zé)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(連續(xù)剛構(gòu))橋的設(shè)計(jì)工作，對(duì)這種橋型有了較深刻地體會(huì)及認(rèn)識(shí)，現(xiàn)將設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題，談一些觀點(diǎn)。
1 跨徑布置及結(jié)構(gòu)尺寸的擬定
當(dāng)橋梁的設(shè)計(jì)方案選定后。首先應(yīng)進(jìn)行橋梁的總體布置和確定結(jié)構(gòu)的構(gòu)造尺寸，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的布宣和構(gòu)造，應(yīng)考慮橋梁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、跨越性質(zhì)和水文、地質(zhì)條件以及施工方法。其中不論是等截面還是變截面連續(xù)梁(剛構(gòu))，合理的主、邊跨比、跨徑與梁高的比例非常重要。若選用不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致箱梁混凝土開(kāi)裂或邊跨、邊墩受力不合理。在具體設(shè)計(jì)時(shí)先根據(jù)通航或通行凈空，結(jié)合地形、地物等控制因素定出主跨跨徑，然后結(jié)合橋梁所采用施工方法來(lái)選定邊跨跨徑，再通過(guò)細(xì)部尺寸擬定來(lái)調(diào)整主、邊跨的剛度來(lái)調(diào)整主梁各截面的內(nèi)力．直至滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。對(duì)于跨徑20～50 m的連續(xù)梁，一般作成等截面形式，梁高一般為跨徑的1／15—1／30，這種橋型常采用滿堂支架、移動(dòng)模架逐孔施工和頂推施工的方法；對(duì)于較大跨徑的多孑L連續(xù)梁，常作成變截面的形式，其支點(diǎn)梁高為最大跨徑的1／15～1／20，跨中梁高為最大跨徑的1／30—1／50，這種橋型通常采用懸臂法進(jìn)行施工，其邊跨跨徑一般為中跨跨徑的0．65—0．7倍．宜0．55～0．6倍。
在連續(xù)梁橋細(xì)部尺寸擬定時(shí)．應(yīng)作一定的計(jì)算及分析，對(duì)箱梁各部分尺寸進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。在主、邊跨不變的情況下，結(jié)合所采用的施工方法，考慮不同梁高、不同箱梁頂?shù)装?、腹板厚度；?duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋還須根據(jù)地質(zhì)資料對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行等效模擬，考慮不同的雙壁墩間距、不同的截面(空心薄壁型、實(shí)心啞鈴型)類型，進(jìn)行多種組合的分析計(jì)算．經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的調(diào)整與綜合考慮，最后確定較為理想的主、邊跨梁高與結(jié)構(gòu)細(xì)部尺寸。接著應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)施工階段的梁段劃分、施工可靠度進(jìn)行了深人的分析驗(yàn)算，梁段劃分時(shí)盡量使所劃分的梁段數(shù)量較少、相鄰兩梁段重量相差較小，以方便施工?？s短施工周期。在施工階段可靠度驗(yàn)算中應(yīng)考慮施工過(guò)程中在最大懸臂階段可能出現(xiàn)的最不利的施工荷載、結(jié)構(gòu)自重的不均勻性以及風(fēng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響等。運(yùn)營(yíng)階段則考慮恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)沉陷、溫度變化、風(fēng)力及地震力對(duì)主橋結(jié)構(gòu)上下部的影響，進(jìn)行多種組合分析計(jì)算，以保證結(jié)構(gòu)受力合理、施工簡(jiǎn)便安全。
2 預(yù)應(yīng)力鋼束布設(shè)
在連續(xù)梁橋(剛構(gòu)橋)設(shè)計(jì)中縱向預(yù)應(yīng)力索的布置宜多采用通長(zhǎng)束，減少在跨中和支點(diǎn)布置的短束。對(duì)于逐孔施工的連續(xù)梁橋．通長(zhǎng)束錨固在相臨孔約0．2 L處，錨固后用連接器接長(zhǎng)，在一個(gè)施工縫處不宜錨固所有鋼束。最好有一半左右的連續(xù)束在下一個(gè)施工縫處錨固。每束不宜采用較大的張拉噸位，以使主粱截面的受力較為均勻：對(duì)于用支架現(xiàn)澆的連續(xù)梁，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束一般需作齒板進(jìn)行錨固，齒板應(yīng)分散布置．不宜集中．在一個(gè)齒板上錨固噸位較大的鋼束應(yīng)不多于兩束，齒板最好布置在混凝土受壓部位，以防局部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫；對(duì)于跨徑較大的連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)橋，通常采用懸臂施工，在一些橋梁的設(shè)計(jì)中，縱向預(yù)應(yīng)力索常采取直線索．用張拉普通精軋螺紋鋼筋來(lái)克服結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力，但近年來(lái)的實(shí)踐證明。單純用豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋來(lái)克服剪應(yīng)力的做法值得商榷。主要原因有幾個(gè)方面：其一，豎向布置的精軋螺紋鋼筋較短，張拉時(shí)預(yù)應(yīng)力損失較大．有的甚至一點(diǎn)儲(chǔ)備也沒(méi)有；其二、施工時(shí)張拉控制措施不到位：其三、管道壓漿不密實(shí)。以上幾種情況可通過(guò)采用高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋取代普通精軋螺紋鋼筋以提高張拉噸位、施工時(shí)二次補(bǔ)拉以及采用真空吸漿工藝使預(yù)應(yīng)力管道密實(shí)等措施來(lái)盡量減少預(yù)應(yīng)力損失。增加豎向預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備。但最直接、最有效的辦法還是在連續(xù)梁主梁支點(diǎn)左右一定范圍內(nèi)布置下彎索。在其端部將縱向預(yù)應(yīng)力鋼束彎起，以抵抗剪應(yīng)力的作用。這一點(diǎn)已經(jīng)重新得到橋梁工程界的普遍認(rèn)可。同時(shí)也可以通過(guò)增加箍筋數(shù)量來(lái)增大腹板的抗剪儲(chǔ)備。
3 溫度問(wèn)題
根據(jù)這幾年的工作體會(huì)．在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)應(yīng)重視溫度應(yīng)力的影響作用。《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(JTJ023—85)》中只規(guī)定了T形截面連續(xù)梁由于日照溫差所引起的內(nèi)力計(jì)算(即混凝土連續(xù)梁由于日照引起的橋面與其它部分的溫度差而產(chǎn)生的內(nèi)力，在缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)，可假定溫度差+5℃(橋面板上升5 oC)，并在橋面板內(nèi)均勻分布)，對(duì)箱型截面連續(xù)梁的溫度應(yīng)力及溫度梯度的取值未作規(guī)定與說(shuō)明，故在橋梁進(jìn)行溫度力分析計(jì)算時(shí)若參考JTJ023—85橋規(guī)取值，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于不安全，不能反應(yīng)橋梁實(shí)際所受的溫度內(nèi)力。以某立交匝道橋的溫度計(jì)算為例。在考慮恒載、活載、支座沉降的工況下第八跨跨中下緣拉應(yīng)力為1．4 MPa，考慮橋面板升溫5℃時(shí)下緣拉應(yīng)力為2．44 MPa，增加了74％ ，比活載產(chǎn)生的拉應(yīng)力還要大。我國(guó)橋梁新規(guī)范JTGD62—2004及JTGD60—2004 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)由于梯度溫度引起的效應(yīng)給出了豎向溫度梯度曲線。國(guó)外如英國(guó)、新西蘭、日本等國(guó)家的規(guī)范對(duì)連續(xù)箱梁的溫度梯度模式都作了詳細(xì)規(guī)定。對(duì)于同一橋梁結(jié)構(gòu)，采用不同的溫度梯度模式得到的梁內(nèi)溫度應(yīng)力值相差很大．因此，為保證橋梁結(jié)構(gòu)抗裂性，合理的溫度梯度模式。對(duì)橋梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算準(zhǔn)確性極為重要。
4 徐變和收縮及其次內(nèi)力問(wèn)題
在長(zhǎng)期荷載或應(yīng)力作用下，混凝土的徐變和收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)內(nèi)截面(在組合截面情況下)的應(yīng)力分布都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。歸納起來(lái)為：結(jié)構(gòu)在受壓區(qū)的徐變和收縮會(huì)增大撓度；徐變會(huì)增大偏壓柱的彎曲。l由此增大初始偏心，降低柱承載力；預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，徐變和收縮將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失；結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面如組合截面(不同材料組合的截面如鋼筋混凝土組合截面，或不同齡期混凝土組合的截面等)，徐變會(huì)使截面應(yīng)力重分布；對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土徐變將導(dǎo)致內(nèi)力重分布。亦及徐變將引起結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力；混凝土收縮會(huì)使較厚構(gòu)件(或在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形狀突變處)的表面開(kāi)裂。這種表面裂縫是因?yàn)槭湛s總在構(gòu)件表面開(kāi)始，但受到內(nèi)部的阻礙引起收縮拉應(yīng)力而產(chǎn)生。
由于徐變總應(yīng)變可高達(dá)加載后產(chǎn)生的彈性變形的1—4倍。所以混凝土的徐變效應(yīng)，在混凝土橋梁設(shè)計(jì)中是必須考慮的。在超靜定結(jié)構(gòu)中由于徐變產(chǎn)生次內(nèi)力．而應(yīng)力變化的徐變及次內(nèi)力計(jì)算較為復(fù)雜?，F(xiàn)較常用的方法：狄辛格方法；Trost”Bazant法；采用位移法的有限元逐步分析法。狄辛格法當(dāng)采用老化理論時(shí)，對(duì)后期加載的長(zhǎng)期徐變效應(yīng)估計(jì)過(guò)低。而對(duì)遞減荷載的長(zhǎng)期徐變效應(yīng)又估計(jì)過(guò)高。由于狄辛格方法未考慮徐變中的“延滯彈性變形”，而延滯彈性變形部’分8 ，它可高達(dá)加載后產(chǎn)生的彈性變形的24％一44％。所以狄辛格方法計(jì)算的徐變效應(yīng)有時(shí)與實(shí)際出入較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和結(jié)構(gòu)有限元方法的應(yīng)用，根據(jù)Trost—Bazant按齡期調(diào)整的有效模量法與有限元法相結(jié)合，人們采用位移法的有限元逐步計(jì)算法，將使得徐變分析更逼近實(shí)際。
5 結(jié) 語(yǔ)
預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作．若要成功地設(shè)計(jì)好一座橋梁必須從橋跨布設(shè)．尺寸擬定、鋼束布置以及施工方法等方面綜合考慮；同時(shí)應(yīng)在眾多的數(shù)據(jù)中選擇正確的設(shè)計(jì)參數(shù)：并充分考慮環(huán)境(包括溫度、徐變和收縮)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
[作者簡(jiǎn)介]
王洪超(1969一)，男，工程師 ，1992年畢業(yè)于昆明工學(xué)院，現(xiàn)在徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院長(zhǎng)期從事設(shè)計(jì)監(jiān)理工作。
