Ｔ構(gòu)橋梁的發(fā)展及施工對連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計的影響

魏志新　劉小燕

摘要 簡述了T構(gòu)橋梁的發(fā)展和國內(nèi)外工程情況。重點闡述了如何從簡化施工的角度考察連續(xù)剛構(gòu)橋梁的設(shè)計并加以改進。

關(guān)鍵詞 T構(gòu);T型剛構(gòu);連續(xù)剛構(gòu);施工

中圖分類號 U4文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2009)05-0074-03

0 引言

T構(gòu)是一種墩梁固結(jié),具有懸臂受力特點的梁式橋,因墩上兩側(cè)伸出懸臂,形同T字,由此得名。T構(gòu)可分為三種類型,一種是單個T構(gòu)形成的懸臂梁;另一種是主梁不連續(xù)的T構(gòu)組合體系,如帶鉸的T型剛構(gòu),帶掛孔的T型剛構(gòu),統(tǒng)稱為T型剛構(gòu);還有一種是主梁連續(xù)的T構(gòu)組合體系,即連續(xù)T型剛構(gòu)或連續(xù)剛構(gòu),當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)同連續(xù)梁相連又可形成剛構(gòu)——連續(xù)梁組合橋梁。T構(gòu)一般采用變高度梁,支點截面的彎矩值最大,梁高也最大,此時增加的自重對于體系的彎矩的影響是最小的。對于連續(xù)剛構(gòu),加大根部梁高,通?？墒拐龔澗販p小,正彎矩區(qū)縮短,結(jié)構(gòu)主要承受負彎矩,這樣可使大多數(shù)預(yù)應(yīng)力剛束布置在梁的頂部,而且構(gòu)造和施工均較簡單,所以一般T構(gòu)都采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),適合懸臂施工法施工,而且由于施工階段的受力與結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)下的受力一致,一般是比較經(jīng)濟的方案。

20世紀50年代中期,在西歐出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土橋的懸臂施工方法,解決了支架法面臨的問題,使預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋中的懸臂體系得到了新的發(fā)展,形成了T型剛構(gòu)橋。而后行車平順的要求又促進了連續(xù)梁的發(fā)展。近年來,更適合懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋得到了較快的發(fā)展,連續(xù)剛構(gòu)橋行車面連續(xù)無折角、不設(shè)支座,施工不需轉(zhuǎn)換體系,且有很大的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度,能滿足較大跨徑橋梁的受力要求。

1 T構(gòu)的發(fā)展

1.1 特點

T構(gòu)因為墩梁固結(jié),優(yōu)點很多,既可以方便平衡懸臂施工,又可以省掉大型的支座。墩的作用使主梁彎矩減小,對比其他設(shè)計方案T構(gòu)橋具有材料用量省,施工簡便經(jīng)濟的特點,具有很高的競爭力。T構(gòu)受力特性類似懸臂梁,應(yīng)力交變的范圍小,適合采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和懸臂施工法施工,即在墩頂兩側(cè)對稱,逐段懸臂澆筑混凝土或者拼裝預(yù)制節(jié)段,然后重復(fù)操作,繼續(xù)下一節(jié)段懸臂施工。該方法每墩有兩個工作面平行作業(yè)且多個墩可同時施工,利于縮短工期。由于節(jié)段施工是重復(fù)作業(yè),有利于施工技術(shù)的熟練掌握,提高工效。其成橋受力同施工階段受力比較接近,懸臂施工時不用臨時支撐,因此,不會因為施工而過多地增加材料。

對于采用柔性墩的T構(gòu)橋,橋墩的防撞能力需要在設(shè)計之初進行考慮。隨著跨度的增大,橋梁的動力性能也需要詳細研究,T構(gòu)橋的支點處自重產(chǎn)生的內(nèi)力占總內(nèi)力的比例很大,結(jié)構(gòu)在超載或者偶然荷載下的抵抗能力需要詳細考察。對于大跨度窄橋,抗風(fēng)問題也凸現(xiàn)出來。

1.2 發(fā)展

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土工藝的完善,德國工程師率先采用掛籃懸臂澆筑混凝土修建連續(xù)梁橋,為無支架施工方法奠定了基礎(chǔ)。隨著懸臂施工法在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的應(yīng)用,跨中帶剪力鉸和跨中設(shè)掛梁的T型剛構(gòu)得到了發(fā)展,而T型剛構(gòu)橋的墩梁固結(jié)后,為抵抗其懸臂施工中的較大不平衡彎矩,以及抵抗運營時活載或其它附加力所產(chǎn)生的彎矩,其橋墩的抗彎剛度和抗推剛度都相當(dāng)大。對于帶鉸的T型剛構(gòu),當(dāng)預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變和溫度變化引起結(jié)構(gòu)變位時,在墩梁固結(jié)處產(chǎn)生的推力和彎矩將很大。此外,鉸處的折角造成車輛跳動,剪力鉸也易損壞。帶掛梁的T型剛構(gòu)雖然緩和了行車,但是伸縮縫的增多、牛腿構(gòu)造的復(fù)雜和易損害,以及施工上設(shè)備的增多(吊裝掛梁的設(shè)備)無法避免。近年來,高速公路的迅速發(fā)展要求行車平順舒適,上述的T型剛構(gòu)已不能很好地滿足要求。因此,T型剛構(gòu)體系在20世紀80年代初以后已很少采用。

隨著跨徑的不斷增大,大型支座的設(shè)計、制造、養(yǎng)護等問題制約了連續(xù)梁體系的發(fā)展。在60年代,前聯(lián)邦德國首先采用懸臂澆注施工法在萊茵河上建成了主跨分別為114.2m和208.0m的沃爾姆斯橋、本道夫橋。它采用薄壁橋墩來代替T形剛剛構(gòu)的粗大橋墩,中孔采用剪力鉸,邊孔做成連續(xù)體系,這種橋型是連續(xù)剛構(gòu)的雛形,因為它的受力特性已接近連續(xù)梁。工程師改善了鉸處的結(jié)構(gòu)缺陷,并且利用其無支座的優(yōu)點,對其結(jié)構(gòu)體系不斷優(yōu)化:將粗壯橋墩變?nèi)嶙儽?使主梁受力性能與連續(xù)梁相近,逐步形成了柔性墩、墩梁固結(jié)的剛構(gòu)體系,既保持了連續(xù)梁無伸縮縫、行車平順的優(yōu)點,又保持了T型剛構(gòu)不設(shè)支座、不需體系轉(zhuǎn)換,方便施工的優(yōu)點。墩身將較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度結(jié)為一體,可以減少墩頂負彎矩峰值,適應(yīng)橋梁的水平變位,從而有效地改善了結(jié)構(gòu)的受力狀況,更適合建造大跨度的橋梁。這種綜合了連續(xù)梁和T形剛構(gòu)橋的特點的連續(xù)剛構(gòu)是大跨度梁式橋的主要橋型之一。

國外修建大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的歷史相對稍早一些。1982年,美國的休斯敦運河橋跨徑為(114+228.6+114) m,主梁為雙室箱型斷面,設(shè)計采用了剛性橋墩,在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中比較少見。1985年,澳大利亞建成的門道橋(Gateway),跨徑為(145+260+145) m,采用了雙薄壁柔性墩,單室箱型主梁和高強混凝土,連續(xù)剛構(gòu)邊跨懸臂與引橋懸出部分之間16m以不約束水平變位的剛箱裝置連接,該裝置不能傳遞軸向力,而能承受剪力與彎矩。該橋保持世界第一達12年之久,是一座里程碑式的建筑。

中國在T構(gòu)橋的建設(shè)中,短時間內(nèi)取得了巨大的成就。修建了大量大跨度,高技術(shù)含量的T構(gòu)橋。統(tǒng)計顯示,目前中國的連續(xù)剛構(gòu)和連續(xù)剛構(gòu)—連續(xù)梁的組合體系在200m以上的有近20座,而且跨徑居于我國T構(gòu)橋前列,在結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計施工等方面均有創(chuàng)新。對于各種不同墩高的連續(xù)剛構(gòu),國內(nèi)都有成功的實例。2003年3月合攏的云南省元江大橋,跨徑為(58+182+265+194+70)m,中墩高123.5m;2006年通車的陜西洛河特大橋在陜西省洛川縣建成,位于黃陵至延安高速公路上,該橋跨度為(90+3*160+90)m,主墩高達143.5m,橋面高152m,為混凝土連續(xù)剛構(gòu)世界第一高橋,這些建橋經(jīng)驗可為高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計和懸臂施工提供參考。

隨著高強預(yù)應(yīng)力剛材、高強混凝土、剛—混凝土、大噸位張拉錨固體系的應(yīng)用與發(fā)展,對在役橋梁使用功能進行的評價和深入研究,使其設(shè)計和施工水平有了改進和提高,故大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的跨越能力將得到提高、應(yīng)用范圍將會更廣。

2 施工對設(shè)計的影響

2.1T構(gòu)設(shè)計的影響因素

對于T構(gòu)橋,在設(shè)計之初一般需要考慮下列幾個方面的影響:首先是使用功能上的要求,后期橋梁和伸縮縫的養(yǎng)護的工作量等直接影響到橋梁的使用功能。如帶鉸或者掛梁的T型剛構(gòu)在建設(shè)初期曾被廣泛采用,但經(jīng)實踐證明其在使用功能上有一定的不足,現(xiàn)在已較少采用。其次是結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的優(yōu)化,對于大跨度橋梁,主梁采用高強混凝土,跨中采用輕質(zhì)混凝土或鋼梁可以減小恒載作用下的重量,從而大大減小恒載內(nèi)力,提高結(jié)構(gòu)的承載能力或者增大跨度,因此會得到更多的應(yīng)用。其他上部結(jié)構(gòu)輕型化的措施,也能改善結(jié)構(gòu)受力,如采用長懸臂、薄腹板,選取經(jīng)濟的頂、底板厚度,減少隔板數(shù)量,都是減輕上部結(jié)構(gòu)自重的途徑。配合三向預(yù)應(yīng)力,采用大噸位預(yù)應(yīng)力體系以滿足應(yīng)力要求。第三,施工的便利性也在很大程度上影響設(shè)計,好的設(shè)計如果能保證施工的便利,則可能提高施工質(zhì)量,從而使結(jié)構(gòu)更容易達到設(shè)計要求。最后,結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性能對設(shè)計方案的選取也是至關(guān)重要的。

2.2 施工的影響

施工方法的難易程度會影響橋梁形式的發(fā)展,如果結(jié)構(gòu)的施工方法合理,則可以加快進度、改善施工質(zhì)量、節(jié)約投資,從而促進設(shè)計的推廣應(yīng)用。如建國初期全國廣泛推廣的雙曲拱橋,設(shè)計時考慮方便安裝施工,將各個構(gòu)件化整為零,將拱肋和拱波預(yù)制,安裝后再澆筑拱板,減輕了吊裝重量,為混凝土拱橋提供了簡便易行的施工方法,在當(dāng)時非常適宜普及。而預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋得到廣泛應(yīng)用也是同斜拉橋采用成熟的懸臂施工法,或稱節(jié)段施工法相關(guān)。懸索橋在主纜架設(shè)后可方便采用吊裝架設(shè)法安裝主梁,因此也應(yīng)用廣泛。而裝配法施工則促進了高速公路上簡支板橋,T梁橋的大量應(yīng)用。對于T構(gòu)橋中普遍采用的連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計,考慮施工方便,有利于選取好的設(shè)計參數(shù)和改進設(shè)計。

1) 連續(xù)剛構(gòu)施工方便,但連續(xù)剛構(gòu)的墩梁固結(jié),引起成橋狀態(tài)的內(nèi)力受橋墩約束而增大,有必要在保證安全懸臂施工的前提下減小固結(jié)效應(yīng),達到兩者兼顧的效果。如設(shè)置抗推剛度小、抗彎剛度大,穩(wěn)定性能好的柔性墩取代剛性墩,墩高時需要設(shè)置成柔性樁基,或者設(shè)置成剛構(gòu)連續(xù)梁組合橋梁,或者采用加卸壓重等措施調(diào)整墩的內(nèi)力。設(shè)計柔性墩時,須結(jié)合施工特點進行單柱式墩和雙薄壁墩的比選,雙薄壁墩需要較大的承臺,但施工時穩(wěn)定性容易保證,必要時在薄壁墩間設(shè)置連接就可以提高穩(wěn)定性。單柱式墩施工簡單,并且可以減小基礎(chǔ)尺寸,因此,在跨徑不大、墩身不高的情況下應(yīng)用較多,只是墩高時為維持穩(wěn)定,施工荷載需要嚴格控制,而且臨時支托也不宜拆除。雙幅橋并列布置時,確定承臺是否連為一體不僅需要考慮防撞,也需要考慮施工,因為如果兩幅橋懸臂施工的進度不一致,會引起承臺承臺受力不均,可能導(dǎo)致承臺開裂,而嚴格限定施工過程中兩幅橋進度一致,不僅增加了施工難度,也可能增加施工工期,施工質(zhì)量也難以保證。

2)考慮到施工簡便,連續(xù)剛構(gòu)截面一般為簡單的直腹板單箱單室截面,橋面寬時則設(shè)置成兩幅?？v向預(yù)應(yīng)力的配索方式,以前采用較多的下彎和通長預(yù)應(yīng)力剛筋不便于施工,而只采用頂板索、底板索,僅在邊跨的端部設(shè)置彎起索(由于受力的特殊要求)的配索方案能簡化施工,保證受力。這種配索方案已成功應(yīng)用到不同跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計中,此種配索方案顯著的優(yōu)點是,腹板長度的90%內(nèi)均無縱向預(yù)應(yīng)力管道,從而給腹板混凝土的澆注帶來了極大的方便,并且張拉工作也得到簡化,從而保證了施工質(zhì)量。

3)邊跨合攏一般可以在支架上進行,在高墩的場合下取消落地支架有一定的經(jīng)濟效益,可方便施工。研究表明,當(dāng)邊、主跨跨徑比在0.54～0.56時(通常這個參數(shù)大部分在0.55～0.58之間),邊跨支點在任何荷載工況下,總保留有足夠的壓力,而不出現(xiàn)拉力,因此有可能利用導(dǎo)梁合攏邊跨。

4) 對于0#塊的長度,需要考慮拼裝施工掛籃的長度,以及大體積混凝土的澆注難度,選取合適的長度,而其他梁段的劃分需要綜合考慮施工設(shè)備的承載能力以及施工工期等。為了保證施工的便利,在預(yù)應(yīng)力筋布置上,除需要簡化預(yù)應(yīng)力剛束的彎曲形狀外,還須預(yù)留備用孔道,以保證結(jié)構(gòu)施工。在大跨度的橋梁設(shè)計中,應(yīng)考慮到后期的施工是否方便而進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

5)對施工方法進行了大的改進后形成的連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了大的變化。如裝配式T梁連續(xù)剛構(gòu),施工方法為:首先架設(shè)預(yù)制的T梁梁片,在墩處將梁和墩固結(jié)形成剛構(gòu)形式,然后縱向澆接縫。實際上是簡支T梁轉(zhuǎn)連續(xù)做法的一種改進,可能得到比橋面連續(xù)更好的使用性能。這種裝配式連續(xù)剛構(gòu),一般適用于中小跨徑橋。T梁梁片預(yù)制標準化、施工便利快捷,工程造價低等,因此 T 梁連續(xù)剛構(gòu)橋在具有高墩的小跨徑高速公路橋梁中得到了較多的應(yīng)用。

3 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂施工的技術(shù)推動了T構(gòu)橋的發(fā)展,T構(gòu)橋中的連續(xù)剛構(gòu)橋具有整體性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、抗震性能好,主梁變形撓曲線平緩、橋面伸縮縫少,行車舒適等優(yōu)點,同時設(shè)計施工技術(shù)成熟,施工質(zhì)量和施工工期能得到有效控制,且成橋后養(yǎng)護工作量小,因此在公路、鐵路、市政橋梁中得到廣泛采用。而針對施工方法的便利性所作的設(shè)計改進也將推動該種橋型的進一步發(fā)展。

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