控制大跨PC梁橋長(zhǎng)期下?lián)系木C合舉措研究

任 亮,張 王景,上官興

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌330013;2.江西省交通設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330002)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋作為一種常見的橋型,以其良好的結(jié)構(gòu)性能和優(yōu)美的外形在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。目前世界最大者為1998年建成的主跨為301m的挪威新施托姆橋(New Stolma),國(guó)內(nèi)最大跨度者為1997年建成的主跨270 m的廣東虎門大橋輔航道橋。隨著使用時(shí)間的增加,此類橋出現(xiàn)了顯著的后期持續(xù)下?lián)蠁栴},以致有些橋的下?lián)弦延绊懙狡渥陨砟芊窭^續(xù)安全可靠服役的程度。CEB(原國(guó)際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會(huì))調(diào)查了27座跨度從53～195 m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的變形。調(diào)查表明,有些橋梁在建造完成8～10年后撓度仍有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),甚至有以相同的變形速度的增加。英國(guó)的Kingston橋是一座跨度為62.5 m+143.3 m+62.5 m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋,1970年建成后跨中撓度一直在緩慢地增大,至今已經(jīng)超過30 cm。1977年建成的帕勞共和國(guó)Koror-Babeldaob橋,主跨241 m,是當(dāng)時(shí)世界上跨度最大的預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁橋,建成后撓度不斷加大,1996年加固修補(bǔ)3個(gè)月后橋梁倒塌。還有美國(guó)1978年完工的Parrots渡橋在使用12年后,195 m的主跨跨中下?lián)狭思s635 mm。國(guó)內(nèi)也有已建大跨度梁式橋跨中出現(xiàn)不同程度的下?lián)稀Ｖ骺?45 m的某大橋,運(yùn)行7年來,下?lián)献畲筮_(dá)32 cm,并且在腹板部位伴隨有大量的斜裂縫的出現(xiàn)。主跨270 m的虎門大橋輔航道橋,建成6年后,在2003年已下?lián)?2.248 cm,遠(yuǎn)超過了原來設(shè)計(jì)預(yù)留的10 cm的徐變預(yù)拱度。工程實(shí)例表明大跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的后期下?lián)系某潭纫呀?jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)所預(yù)測(cè)的范圍,嚴(yán)重影響到橋梁的使用壽命和行車舒適性,甚至危及高速行車時(shí)的安全。為此不少學(xué)者[1-6]從理論和實(shí)踐出發(fā),對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋后期下?lián)系某梢蜻M(jìn)行了深入的探討和分析,也提出了一些預(yù)防的措施,取得了一定的效果。

本文在總結(jié)大跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋持續(xù)下?lián)铣梢虻幕A(chǔ)上,以在建的石城至吉安高速公路泰和贛江特大橋?yàn)槔?采用有限元法從恒載零撓度、加大跨中梁高和臨時(shí)斜拉索輔助施工等新舉措出發(fā)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析比較,研究各種因素對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長(zhǎng)期下?lián)系挠绊?力求對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行有效地控制。

1 大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋下?lián)系闹饕?/h2>

從預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)受力特性的機(jī)理上分析,預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的撓度實(shí)際上是兩部分總體作用方向相反的效應(yīng)綜合平衡的結(jié)果。作用效應(yīng)之一就是結(jié)構(gòu)體本身的恒載與活載作用,另一個(gè)就是橋梁預(yù)應(yīng)力體系提供的作用效應(yīng)。從結(jié)構(gòu)體本身的作用效應(yīng)上來說,除了荷載作用,結(jié)構(gòu)剛度是影響撓度的主要因素,而箱梁的剛度受結(jié)構(gòu)布置、混凝土開裂程度、預(yù)應(yīng)力束的布置方式與有效預(yù)應(yīng)力大小、混凝土收縮徐變特性與疲勞特性等因素的影響。另一方面,預(yù)應(yīng)力體系對(duì)撓度的作用效應(yīng)受預(yù)應(yīng)力的布置和有效預(yù)應(yīng)力的大小所左右。目前國(guó)內(nèi)外比較認(rèn)同的導(dǎo)致大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋下?lián)犀F(xiàn)象的主要因素[1-8]可能為:

(1)混凝土收縮徐變存在較大不確定性(包含箱梁斷面構(gòu)件不同厚度導(dǎo)致的收縮差異影響、交通荷載和溫度變化引起的反復(fù)荷載效應(yīng)、施工接縫的影響、環(huán)境溫度與濕度的變化等),很難精確計(jì)算;

(2)對(duì)預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期損失估計(jì)偏低;

(3)混凝土的開裂;

(4)施工質(zhì)量。

這些對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期撓度產(chǎn)生影響因素有些不但具有較大隨機(jī)不確定性,而且還相互耦合。故盡管現(xiàn)代計(jì)算手段不斷取得進(jìn)步,但準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大跨預(yù)應(yīng)力混凝土的長(zhǎng)期撓度仍然不是一件容易的工作。

2 控制大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋下?lián)闲屡e措

在控制大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋長(zhǎng)期撓度的措施方面,目前國(guó)內(nèi)外的確出現(xiàn)了許多具體的防治方法[9],如多次張拉保證縱向預(yù)應(yīng)力的有效性,體外束、跨中頂推、跨中預(yù)壓、主梁跨中部分梁段采用高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土等,但效果都不盡如人意。為此從結(jié)構(gòu)自身出發(fā)、從設(shè)計(jì)出發(fā)采取相應(yīng)的措施成為控制大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長(zhǎng)期撓度的新途徑,以下將闡述這些新舉措。

2.1 恒載零撓度

根據(jù)林同炎教授提出的荷載平衡概念,假如用預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩平衡自重產(chǎn)生的彎矩,這樣在預(yù)應(yīng)力和自重作用下結(jié)構(gòu)將處于軸向受壓狀態(tài),結(jié)構(gòu)在混凝土長(zhǎng)期收縮徐變作用下,只會(huì)發(fā)生軸向縮短,而不會(huì)發(fā)生彎曲下?lián)?這就是“恒載零撓度”的概念。在理論上,在設(shè)計(jì)時(shí)只要保證結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力和自重作用下每個(gè)截面彎矩為零,那么建造時(shí)就可以不設(shè)置預(yù)拋高,這樣有利于施工控制。在實(shí)際的懸臂施工中,由于每個(gè)節(jié)段混凝土齡期有差異,預(yù)應(yīng)力損失難以精確計(jì)算,很難保證每個(gè)截面彎矩都為零。但是可以根據(jù)恒載零撓度理論配束使每個(gè)截面自重和預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩差較小,這樣成橋后期徐變產(chǎn)生的撓度就較小。廣東佛山石南大橋和湖南湘潭湘江二橋已經(jīng)在施工中按恒載零彎矩進(jìn)行了施工控制取得了較好的效果。

2.2 臨時(shí)斜拉索輔助施工

依據(jù)恒載零撓度的原理,控制跨中下?lián)系年P(guān)鍵是要消除恒載彎距,使其產(chǎn)生的撓度趨近零,對(duì)于跨度較小的橋,可以通過增設(shè)頂板懸臂預(yù)應(yīng)力來達(dá)到平衡恒載彎距的目的,但是對(duì)于跨度較大的橋,無論是從設(shè)計(jì)還是施工以及結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)造上都很難通過增設(shè)頂板懸臂預(yù)應(yīng)力來達(dá)到平衡恒載彎距的目的針對(duì)這種情況,提出一種用施工手段來進(jìn)行撓度控制的方法,即采用臨時(shí)斜拉索輔助施工控制跨中長(zhǎng)期下?lián)?如圖1所示。具體做法為:首先設(shè)計(jì)中按照傳統(tǒng)的包絡(luò)圖配置箱梁預(yù)應(yīng)力束;然后在懸臂施工中架設(shè)臨時(shí)鋼塔,針對(duì)頂板上緣懸臂預(yù)應(yīng)力不足,采用張拉斜拉索來做到懸臂施工期間箱梁不下?lián)?并輔助合攏中跨;最后待中跨合攏束張拉完畢,結(jié)構(gòu)形成連續(xù)體系之后,再將鋼塔和斜拉索拆除。

圖1 臨時(shí)斜拉索輔助施工圖

2.3 加大跨中梁高

目前對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋梁高的選擇,一般取支座處梁高為跨度的1/18～1/20,跨中梁高取為支座處梁高的1/3左右,中間以拋物線過渡。對(duì)于中小跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋按此原則所確定的梁高變化曲線是可行的,但對(duì)于大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,跨中梁高的選取值得商磋。目前鐵路上[10]大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的跨中梁高一般取為支座處梁高的1/2左右,如表1所示,且按此原則設(shè)計(jì)施工的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋運(yùn)營(yíng)后從未出現(xiàn)后期下?lián)犀F(xiàn)象,相反普遍出現(xiàn)跨中上翹的現(xiàn)象,需要將鋼軌道渣扒掉,通過降低道渣高度消除跨中上翹量。因此,借鑒鐵路上預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋主梁跨中梁高的取值方法,將大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋跨中梁高取為支座梁高的1/2。考慮到加大梁高將使結(jié)構(gòu)自重增加,為保證結(jié)構(gòu)自重不變,適當(dāng)減薄腹板厚度。對(duì)于腹板厚度無法再減薄的情況,宜將混凝土腹板改為波形鋼腹板[11]。

表1 部份鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋梁高一覽表

3 實(shí)例分析

3.1 分析模型

泰和贛江公路大橋?yàn)槭侵良哺咚俟飞峡缭节M江的一座特大橋,橋型布置如圖2。大橋主橋?yàn)?00 m+155 m+100 m連續(xù)剛構(gòu),箱梁采用變截面三向預(yù)應(yīng)力單箱單室連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),具體尺寸如圖3。

圖2 橋型布置圖(單位m)

圖3 箱梁截面尺寸圖(單位cm)

為分析前述各種措施對(duì)控制預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長(zhǎng)期下?lián)系男Ч?設(shè)計(jì)了以下6種方案。

方案1:傳統(tǒng)包絡(luò)圖設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋配索設(shè)計(jì),所選基本結(jié)構(gòu)是橋梁最終狀態(tài)—運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的連續(xù)梁圖式。設(shè)計(jì)的原則是控制不出現(xiàn)拉應(yīng)力并預(yù)留一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

方案2:恒載零撓度設(shè)計(jì)。

新的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋配索設(shè)計(jì),合攏段頂、底板預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)所選基本結(jié)構(gòu)是橋梁最終狀態(tài)—運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的連續(xù)梁圖式,但頂板懸臂預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)所選基本結(jié)構(gòu)為橋梁的最大懸臂狀態(tài)圖式。設(shè)計(jì)的原則是控制不出現(xiàn)拉應(yīng)力并預(yù)留一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

方案3:跨中加大梁高設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)包絡(luò)圖設(shè)計(jì)原則基本一致,但主梁跨中梁高取為支點(diǎn)處的1/2,且主梁自重保持不變。

方案4:臨時(shí)斜拉索輔助合攏設(shè)計(jì)。

采用傳統(tǒng)包絡(luò)圖設(shè)計(jì)主梁縱向預(yù)應(yīng)力,為實(shí)現(xiàn)施工期間主梁不下?lián)?采用斜拉索輔助懸臂施工直至結(jié)構(gòu)形成連續(xù)體系。

方案5:跨中加大梁高和恒載零撓度設(shè)計(jì)。

采用恒載零撓度設(shè)計(jì)縱向預(yù)應(yīng)力,同時(shí)將跨中主梁取為支點(diǎn)處主梁高度的1/2,保持主梁自重不變。方案6:跨中加大梁高和臨時(shí)斜拉索輔助合攏設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)包絡(luò)圖設(shè)計(jì)主梁縱向預(yù)應(yīng)力,跨中主梁取為支點(diǎn)處主梁高度的1/2,同時(shí)采用臨時(shí)斜拉索輔助施工。

現(xiàn)采用有限元靜力分析程序橋梁博士分別對(duì)上述6種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析,分析中考慮恒載、活載、預(yù)應(yīng)力和收縮徐變等因素,其中計(jì)算規(guī)范采用JTGD 60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》。

3.2 結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)以上6種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析,得到各方案在不同階段跨中的撓度值(為預(yù)期實(shí)際下?lián)现档囊徊糠?未考慮預(yù)應(yīng)力混凝土的質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力的張拉施工、梁橋的養(yǎng)護(hù)等影響),表2列舉出6種設(shè)計(jì)方案在成橋階段、成橋3年、成橋5年、成橋10年和成橋30年后的跨中撓度值,從表中可以看出:

(1)在傳統(tǒng)的包絡(luò)圖設(shè)計(jì)中,由于對(duì)恒載(長(zhǎng)期持續(xù)荷載)和變化荷載(活載及附加力)是同等對(duì)待的,預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)既要考慮恒載又要同時(shí)考慮變化荷載的作用,這樣使得預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)不能完全針對(duì)起主導(dǎo)作用的恒載,也不可能實(shí)現(xiàn)零彎矩,所以產(chǎn)生較大的后期下?lián)鲜潜厝坏摹?/p>

(2)恒載零撓度設(shè)計(jì)以撓度為目標(biāo)控制,其特點(diǎn)是用預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)手段來減少初始撓度和初始轉(zhuǎn)角。這樣當(dāng)后期混凝土徐變發(fā)生時(shí),梁體以軸向位移為主,彎曲下?lián)蠟檩o,因而就能極大地減少合攏后的持續(xù)下?lián)辖^對(duì)值,是非常有效的控制后期下?lián)系拇胧?/p>

(3)方案3在方案1基礎(chǔ)上加大了主梁跨中高度,同時(shí)保持主梁自重不變,在成橋30年后主梁跨中撓度值為-2.9 cm,相對(duì)于方案1減少了30%,說明加大跨中梁高對(duì)控制預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的后期下?lián)鲜怯行У摹?/p>

(4)方案4采用斜拉索輔助施工,實(shí)現(xiàn)無預(yù)拋高的合攏,成橋30年后的撓度值與方案1相比減少了52%,因此該措施對(duì)于控制后期下?lián)鲜欠浅Ｃ黠@的。

(5)方案5和方案6為組合設(shè)計(jì)方案,相對(duì)于單項(xiàng)設(shè)計(jì)方案,組合設(shè)計(jì)方案對(duì)控制大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋后期下?lián)细欣?是更好的控制措施。

表2 主梁跨中撓度值

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋在運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)腹板開裂和持續(xù)下?lián)系炔『?以在建的主跨為155 m江西泰和贛江公路大橋?yàn)槔?采用有限元法從恒載零撓度、加大跨中梁高和臨時(shí)斜拉索輔助施工等新舉措出發(fā)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析比較,研究各種因素對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長(zhǎng)期下?lián)系挠绊?得到如下結(jié)論:

(1)傳統(tǒng)包絡(luò)圖設(shè)計(jì)由于預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)不能完全針對(duì)起主導(dǎo)作用的恒載,也不可能實(shí)現(xiàn)零彎矩,所以產(chǎn)生較大的后期下?lián)鲜潜厝坏摹?/p>

(2)恒載零撓度、加大跨中梁高和斜拉索輔助施工等都是有效的控制后期下?lián)系拇胧?但恒載零撓度設(shè)計(jì),或者恒載零撓度設(shè)計(jì)和加大跨中梁高的綜合運(yùn)用對(duì)控制大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的后期下?lián)细行А?/p>

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