強度設計理念與大跨度P.C梁橋跨中下撓的關系

戚 原,向 偉

(1.重慶渝富土地開發經營有限公司,重慶 400000；2.四川建筑職業技術學院,四川 德陽 618000)

大跨度梁橋在長期運營過程中,普遍出現跨中下撓、開裂等病害,對于該類病害不同的研究者進行了大量的理論研究分析。牛艷偉等[1]以某75+125+75 m的預應力混凝土連續梁橋為背景,開展了跨中下撓的長期觀測和成因分析,研究發現跨中下撓呈現“快速—緩和—快速”的發展特點,裂縫的出現是跨中下撓持續且加速發展的重要原因。陳宇峰等[2]從混凝土收縮徐變、預應力損失及箱梁開裂三個方面分析了各自對梁體下撓的影響。張玉杰[3]在其學位論文中開展了預應力損失及混凝土收縮徐變等對跨中下撓的影響研究。楊杰[4]提出用腹板斜向預應力束代替豎向預應力以抑制腹板開裂導致的剛度降低,從而控制跨中持續下撓。由此可見,不同的研究者對于大跨度梁橋跨中下撓的成因有不同的見解,多數研究者認為跨中長期下撓與混凝土收縮徐變有關,但也有研究[5]通過計算得出混凝土收縮徐變影響有限,從而質疑徐變是影響跨中下撓的主要因素。

不同的設計單位所設計的大跨度橋梁其長期運營過程中幾乎都出現了不同程度的同類病害,其中是否包含設計理念的問題,現有強度設計理念與大跨度P.C梁橋跨中下撓存在什么樣的關系,是本文探討的初衷。

1 大跨徑梁橋的病害與反思

原國際結構混凝土協會(CEB)針對跨徑53～195 m范圍的27座P.C連續梁橋的跨中下撓進行了長期觀測,發現在通車8～10年后仍有明顯的增長趨勢。大量的統計資料表明,大跨徑梁橋在下撓不嚴重的情況下,梁體運營情況尚好,但是當下撓到一定程度后(即主梁跨中撓跨比達到一定值時),梁體開始出現開裂現象,開裂后的梁體剛度削弱,會導致梁體進一步下撓,進而惡性循環。見表1,當長期撓度與跨徑之比小于L/1 600時,梁體未出現開裂現象,而當長期撓度與跨徑之比大于L/1 600時,梁體普遍出現開裂現象。

表1 國內外大跨徑P.C梁橋跨中下撓及開裂病害統計情況

受此啟發,如果大跨徑混凝土梁橋的長期下撓可以得到控制,則梁體的運營過程中不會出現開裂病害。在后期運營過程中,外部荷載不存在太大的變化,但卻出現了持續性地下撓,通常認為徐變下撓是最主要的因素。而大跨徑P.C混凝土梁橋在施工過程中經歷了懸臂澆筑,邊、中跨合攏,施加二期恒載等施工階段,受力體系不斷發生變化,最終進入成橋運營階段。如果定義最大懸臂狀態下的撓度為f1,施加二期恒載后的撓度為成橋撓度f2,則橋梁在成橋后時間t內的總下撓值f(t)為：

(1)

顯然f2是由兩部分組成的,一部分是最大懸臂狀態下的撓度即一期恒載撓度f1,另外一部分是由于施加二期恒載后梁體的下撓值。徐變終極系數φ(t,t0)的影響因素復雜,因而為減小徐變下撓值,主要有以下兩種思路：一種是減小最大懸臂狀態下的撓度f1,即懸臂施工零撓度設計理念,這一設計理念由范立礎院士1988年在其主編的《預應力混凝土連續梁橋》[6]一書中提出,文獻[7]采用恒載零彎矩法進行預應力配束設計,有效地降低了梁體在恒載狀態下的撓度。另外一種思路,則是采取措施盡量減小施加二期恒載引起的撓度部分,這一部分撓度受結構體系、截面尺寸等影響,部分研究者提出了增大梁體跨中截面梁高的措施,即希望通過增大梁體剛度來減小主梁恒載撓度。

結合表1和式(1)分析可知,如果能夠在設計過程中控制恒載撓度,則長期下撓可以得到控制,且當長期下撓值不超過L/1 600時,梁體運營情況良好。為此需要從設計層面去控制恒載撓度。

2 強度設計理念

2.1 強度設計理念與成橋撓度的關系

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范(JTGD62—2004)》規定對公路橋涵應進行以下兩種極限狀態設計,即承載能力極限狀態及正常使用極限狀態設計。考慮三種設計狀況,即持久狀況、短暫狀況及偶然狀況。其中承載能力極限狀態設計主要針對構件的承載力及穩定性進行設計,必要時尚需進行結構的傾覆和滑移驗算,強調結構的強度和穩定性設計。正常使用極限狀態,則是采用不同的荷載效應組合對構件的抗裂性、裂縫寬度及撓度進行驗算。構件的抗裂性及裂縫寬度驗算本質上仍是材料的強度問題。規范[8]僅考慮了活載剛度指標,即第6.5.3條規定：“鋼筋混凝土和預應力混凝土受彎構件的長期撓度值,在消除結構自重產生的長期撓度后梁式橋主梁的最大撓度處不應超過計算跨徑的1/600；梁式橋主梁的懸臂端不應超過懸臂長度的1/300。”顯然,現行橋涵設計規范未對恒載撓度進行控制,如果采用L/600進行恒載撓度控制,必然會產生過大的長期下撓并導致形成開裂病害。

由此可見,現行橋涵設計規范主要是基于強度設計的理念進行極限狀態設計。其預應力筋配束,目的是確保施工全過程及成橋后結構的強度指標滿足設計要求。然而，由于強度設計理念是一個寬泛的設計原則,設計人員在對不同橋進行設計時,靈活性非常大,導致不同橋的設計盡管都滿足了規范對強度指標的驗算要求,但卻在其他指標上存在較大的差異。例如在恒載撓度或者恒載不平衡彎矩上,存在顯著的差異。為了解這種設計上的靈活性可能給橋梁結構后期運營帶來的隱患,筆者向各大設計院搜集到了6座大跨徑P.C混凝土梁橋的資料,并采用Midas Civil軟件進行了考慮施工過程的計算,目的是考察對比合攏并施加二期恒載后橋梁的成橋撓度。

圖1～6分別給出了6座大跨徑P.C.混凝土梁橋竣工時的成橋撓度云圖,即恒載撓度云圖。

圖1 某四跨連續剛構橋(60+2×110+60 m)

圖2 某三跨連續剛構橋(55+100+55 m)

圖3 某三跨連續剛構橋(80+150+80 m)

圖4 某三跨連續剛構橋(66+120+66 m)

圖5 某三跨連續剛構橋(65+125+65 m)

圖6 某三跨連續剛構橋(65+120+65 m)

由圖1～6可見,由于設計人員在預應力筋配束上的靈活性導致各橋的成橋恒載撓度存在明顯的差異,梁體恒載下撓最大值匯總見表2。

表2 基于強度設計理念設計得到的不同橋的成橋撓度

由表2可見,采用相同的基于強度設計理念設計的大跨度梁橋,其成橋跨中恒載撓跨比相差非常大。按照徐變系數終極值取3.0計算,要使長期撓跨比不超過L/1 600,則成橋恒載撓度需要控制在L/4 800以內。按照這一指標看,6座橋中有5座橋不滿足恒載控制指標要求。

需要說明的是,表2中序號3(跨徑布置為80+150+80 m)的三跨連續剛構橋,其成橋恒載撓度,中跨出現了反拱,邊跨則是下撓,這主要是由于預應力度引入過大所致。

2.2 成橋撓度與長期下撓的關系

顯然,前述基于強度設計理念設計的6座大跨度梁橋,其施工及運營階段均是滿足強度驗算指標的。其成橋線形也可以通過施工時的預拱度設置來進行調整。預拱度設置的目的是為抵消橋梁的恒載下撓和運營期長期下撓而考慮的,但卻對梁體嚴重下撓可能產生的梁體開裂等病害沒有作用。如前所述,只要當梁體的跨中下撓達到一定程度,即相對撓跨比δ/L≥1/1 600,梁體即會出現開裂等病害,并進一步加劇梁體下撓。

成橋恒載撓度與長期撓度之間的關系可由式(1)進行定性描述。基于強度設計理念設計得到的6座大跨徑梁橋,僅有一座滿足恒載撓度小于L/4 800的恒載撓度要求。

3 結 語

現行橋涵設計規范采用基于強度設計理念對橋梁進行設計,對恒載撓度則未進行控制,這直接導致在滿足強度驗算指標的前提下,設計上具有很大的隨意性。通過對國內外多座大跨度梁橋的長期下撓值的統計,以及對6座不同跨度的大跨度梁橋進行的施工階段分析,得到以下結論：

1)對于大跨徑梁橋,如果長期相對下撓達到或者超過L/1 600,則可能會出現梁體開裂,并導致梁體加速下撓等病害。

2)不同的設計人員設計的大跨度梁橋,其恒載撓度相差很大,這主要是由于強度設計理念所引起的設計上的靈活性所致。

3) 大跨徑梁橋的長期下撓值與成橋時的恒載撓度直接相關,恒載撓度越大,長期下撓值也越大。

4)可以通過優化預應力筋的配置及梁體的截面尺寸等參數來實現主梁恒載撓度的控制,并最終減小長期下撓。

[1] 牛艷偉,石雪飛,阮欣.大跨徑混凝土梁橋的長期撓度實測分析[J].工程力學,2008(增刊)：116-119．

[2] 陳宇峰,徐君蘭,余武軍.大跨P.C連續剛構橋跨中持續下撓成因及預防措施[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2011,26(4)：6-8．

[3] 張玉杰. P.C連續剛構橋運營期跨中持續下撓原因分析及對策[D].重慶：重慶交通大學,2013．

[4] 楊杰.大跨P.C連續剛構橋長期下撓控制措施研究[D].重慶：重慶交通大學,2009.

[5] 北京建達道橋咨詢有限公司.六座連續剛構施工圖咨詢報告[R].重慶:高速公路發展有限公司,2006．

[6] 范立礎. 預應力混凝土連續梁橋[M].北京：人民交通出版社,1988．

[7] 王法武,石雪飛.大跨度預應力混凝梁橋長期撓度控制分析[J].公路,2006(8)：72-76．

[8] 中交公路規劃設計院. JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社,2004．