大跨PC梁式橋長期下撓控制的新方法

薛興偉,熊　英,鐘一鳴(沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧沈陽　110168)

大跨PC梁式橋長期下撓控制的新方法

薛興偉,熊英,鐘一鳴
(沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧沈陽110168)

針對混凝土梁式橋出現不同性質的裂縫和撓度過大的問題,通過研究無應力狀態法的原理,結合連續梁一次落架與懸臂施工的力學差異,以某160 m跨剛構橋為例,在施工過程以無應力狀態法對施工進行控制,結果證明,無應力狀態法可以有效減少跨中撓度、墩頂彎矩,對長期下撓控制是有效的,能夠為解決大跨梁式橋的撓度問題提供參考.

PC梁式橋;下撓控制;無應力狀態法;力矩

0　引　言

由于各種原因,大量預應力混凝土梁式橋易出現許多不同性質的裂縫且存在撓度過大的問題,而且隨著橋梁跨度的增大,這些問題越來越嚴重[1].根據中國知名橋梁學者、清華大學博士后謝峻的調查研究報告[2],預應力混凝土橋梁開裂是全世界的普遍問題[3-4].國內的預應力混凝土橋梁大都存在裂縫問題,大約有34%為輕度開裂,21%為中度開裂,45%為重度開裂.橋梁開裂、撓度過大等導致的安全隱患一直是預應力混凝土橋梁結構中被普遍關注的問題.

無應力狀態法是秦順全提出的一種解決橋梁分階段施工的理論控制方法,于1993年在武漢長江二橋工程上第一次成功運用,至今已在國內外有30多個成功案例,主要應用于斜拉橋、懸索橋、拱橋等橋型的施工控制.

本文擬通過研究無應力狀態法的原理,同時結合連續梁一次落架與懸臂施工的力學差異,進而將無應力狀態法引入大跨徑PC梁式橋的設計施工中,通過無應力狀態法控制成橋撓度,試圖為解決大跨徑梁式橋的撓度問題找到新的途徑.

1　無應力狀態法的基本概念

無應力狀態法的一個最基本的觀點,就是當結構構件單元的無應力長度和無應力曲率一定時,結構的最終內力狀態和位移狀態與結構的施工過程無關.

下面通過一個固端梁的簡單實例來說明無應力狀態法的基本概念.

等截面固端梁跨度為2L,主梁剛度為EI,結構自重荷載集度為q.

模型1:結構在滿堂支架上澆筑完成,如圖1(a)所示,一次落架拆除支架后,荷載在結構的彎矩MA＝MB＝(－1/3)·qL2,MC＝(1/6)·q L2,如圖1(b)所示.

圖1　模型1

模型2:結構在支架上先形成AC1、BC2兩個懸臂梁(圖2a),拆除支架施加荷載q(圖2(b)),然后在C1、C2之間合龍(為簡化計算,假定C1、C2兩點之間的長度無限趨近于0),如圖2(c)所示,則由此形成的梁段固端梁的彎矩MA＝MB＝(－1/2)·qL2, MC1＝MC2＝0.

圖2　模型2

模型1、模型2兩個結構分別形成過程不同的兩個固端梁,在相同的荷載q作用下,內力狀態截然不同.深入研究可以發現,模型1結構跨中截面C的兩端截面的轉角為0,而模型2結構跨中截面轉角θC1＝q L3/6EI,θC2＝－q L3/6EI.

模型3:在模型2的C1、C2合龍前,通過以下措施使得跨中合龍點轉角連續.

(1)施加力矩,如圖3所示.結構在支架上先形成AC1、BC2兩個懸臂梁,拆除支架施加荷載q.跨中合龍前C1、C2兩端施加大小相等、方向相反的一對力矩MC1＝MC2＝(1/6)·qL2,然后跨中合龍.兩個力矩卸載,由于MC1、MC2作用于同一點且大小相等方向相反,所以卸載MC1、MC2對結構內力無影響,得到的彎矩圖與一次落架固端梁相同,其中兩者的撓度和撓度曲線也是一樣的.

圖3　模型3措施一

(2)跨中合龍前C1、C2兩端分別施加P＝qL/3的兩個向上的集中力,跨中合龍后,兩個集中力卸載,可消除轉角差.合龍后再在C點施加反向力(－2P),同樣可以得到與模型1相同的彎矩圖.同樣,兩者的撓度和撓度曲線也是一樣的.

(3)合龍前,為實現C1、C2兩點轉角相等且彈性曲線連續,A點轉動θA＝－q L3/6EI,B點轉動θB＝q L3/6EI.合龍后再將A、B兩點轉動恢復原來的位置,即可以得到與模型1相同的彎矩圖.同樣,兩者的撓度和撓度曲線也是一樣的.

由上述兩端固結梁可以看出,梁式結構從靜定結構向超靜定結構轉換時(如合龍),若能通過一定的措施保證合龍段兩端點的轉角相等(合龍處的彈性曲線連續),則形成的最終結構內力和位移狀態與結構的形成狀態無關.

2　基于撓度控制的無應力狀態法的探索研究

2.1懸臂施工與滿堂支架施工

廣東省政府5次召開專題會議研究廣東農墾辦社會職能改革，特別是2018年7月5日，召開廣東農墾改革發展聯席會議，對廣東農墾辦社會職能改革進行全面動員部署。在基礎教育方面，省有關部門和屬地政府認真研究并妥善解決處理好學校移交過程中所涉及的事業編制、人員移交和經費保障等難題。截至2018年9月15日，湛江、茂名、陽江、揭陽、汕尾5市已全部完成124所農墾學校、2492名在編在職人員的統一考試和順利移交；2295名離退休人員也隨學校一并移交。清產核資及備案、土地紅線圖確認、經費測算劃轉等工作正在緊密推進中。

懸臂施工梁橋與滿堂支架、一次落架連續梁的主梁恒載撓度是不同的.現以一跨徑為L＋2L＋L、荷載為q、主梁剛度為EI的三跨梁為例進行對比分析.

滿堂支架、一次落架連續梁的中跨撓度f1m＝0.069q L4/EI;而懸臂施工(按照一個節段)梁橋在最大懸臂狀態時的中跨撓度f1x＝q L4/8EI.

f1x/f1m＝1.81,也就是說懸臂施工最大懸臂處的撓度為滿堂支架跨中撓度的1.81倍.同時,由于懸臂施工中節段重量均由支點截面承擔,因而懸臂施工橋梁中支點的鋼束的配置均高于一次落架橋梁.

據此,本文提出基于無應力狀態法的原理,調整梁式橋懸臂施工過程,使懸臂施工橋梁合龍的轉角盡可能與連續梁一致,受力狀態與滿堂支架法梁式橋一致,進而達到減小懸臂施工橋梁跨中撓度的目的.

能達到連續梁一次落架施工狀態的施工控制措施很多,其中比較可行的是施工過程中采用在主墩上架設臨時鋼塔架的方法,通過臨時鋼束張拉,抵消部分施工過程中的恒載效應,并在一定程度上對荷載進行“卸載”,使其合龍時盡可能接近一次落架的施工狀態,減小大跨徑PC梁式橋跨中的下撓問題.

2.2無應力狀態法跨中撓度控制的實例

2.2.1無應力狀態法模型

以一座中跨長度為160 m的連續剛構橋為例,該橋上部結構為變高度箱梁,由根部梁高10 m變化到跨中3.5 m,橋寬9.5 m,橋梁跨徑組合為(85＋160＋85)m.邊跨共劃分21個節段,中跨39個節段,采用懸臂施工.原設計成橋10 000 d后主梁跨中的最大撓度為197.5 mm.

圖4　無應力狀態法計算模型

2.2.2撓度結果

計算結果表明,采用無應力狀態法,成橋10 000 d后主梁跨中最大撓度為－89 mm,較懸臂施工減小了108.5 mm,相當于優化前的45%,圖5為優化前后兩種方法的撓度對比.通過施工的控制,改變了跨中的下撓狀況,無應力狀態法對撓度影響非常顯著. k N·m－1,跨中的恒載彎矩為22 410 k N·m－1.經無應力狀態法施工控制后,墩頂的恒載彎矩為－851 469 k N·m－1,跨中的恒載彎矩為113 850 k N·m－1.兩種施工方法的彎矩差值在于通過施工控制后墩頂的彎矩“轉移”到了跨中.由此可以得出,應用了無應力狀態法后,在一定程度上改變了橋梁結構體系,即由懸臂狀態施工的剛構橋內力特征向滿堂支架剛構橋內力特征轉變,因而其位移、內力結果都發生了相應的變化.

因此,通過無應力狀態法進行施工控制的連續剛構橋,能減小墩頂的彎矩,從而減小了大懸臂產生的下撓趨勢,其彎矩減小部分相應地轉移到跨中部分,通過加強梁底配束或者跨中施加體外預應力來抵抗.

圖5　撓度對比

2.2.3內力結果

原懸臂施工模型墩頂的恒載彎矩為－978 573

3　結　語

本文利用無應力狀態法原理,結合懸臂施工與一次落架施工在內力和撓度上的差異,在大跨徑連續剛構橋上進行施工控制,使得大跨徑連續剛構橋成橋后的跨中撓度明顯降低.為大跨徑PC梁式橋的撓度控制提供了一種有效的控制方法.

[1]謝峻.大跨度預應力混凝土箱梁橋的裂縫調查、結構分析與健康監測[R].北京:清華大學,2006.

[2]楊志平,朱桂新,李衛.預應力混凝土連續剛構橋撓度長期觀測[J].公路,2004(8):285-289.

[3]樓莊鴻.對預應力混凝土連續剛構幾個問題的認識[C].中國公路學會橋梁和結構工程分會,2004年全國橋梁學術會議.北京:人民交通出版社,2004:303-310.

[4]秦順全.分階段施工橋梁的無應力狀態法控制法[J].橋梁建設,2008(1):8-14.

[責任編輯:杜敏浩]

A New Method of Longterm Deflection Control of Long-span Prestressed Concrete Beam Bridge

XUE Xingwei,XION Ying,ZHON Yiming
(School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,Liaoning,China)

In order to solve the problems of various cracks and big deflection that happen to concrete beam bridge,the principle of unstressed state method was studied.Combined with the mechanical difference between the construction of formwork and cantilever of the continuous beam,a rigid frame bridge with a span of 160 m was taken to carry out the deflection control with unstressed state method.The result shows that this method can effectively reduce the deflection of mid span and bending moment of the pier top,and is an effective way of longterm deflection control.

prestressed concrete beam bridge;deflection control;unstressed state method;moment

U445.7

B

1000-033X(2015)01-0080-03

2014-08-23

沈陽建筑大學自然科學版一般項目基金(2014086)