山區(qū)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)研究

覃文武

(廣西壯族自治區(qū)航務(wù)工程處，廣西 南寧 530021)

0 引言

山區(qū)橋梁建設(shè)時(shí)受地形因素影響，在穿越河流與峽谷時(shí)，常常采用大跨橋梁的方式。隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的成熟，連續(xù)剛構(gòu)橋梁成為大跨橋梁的主流橋型。跨徑大小決定著該選擇何種橋型，經(jīng)過(guò)相關(guān)學(xué)者研究，得出各個(gè)橋型合理的跨徑范圍值，如圖1所示。根據(jù)圖1不難看出連續(xù)剛構(gòu)橋的適用跨徑范圍在60～250 m區(qū)間。由于連續(xù)剛構(gòu)橋是墩梁固結(jié)連續(xù)橋梁，其跨徑能力以及后期使用壽命、養(yǎng)護(hù)等方面均優(yōu)于同等連續(xù)橋梁、T形剛構(gòu)橋等。

圖1 各種橋型方案適用跨徑范圍對(duì)比圖

雖然連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑能力較大，但作為新型橋梁，當(dāng)其跨徑超過(guò)200 m時(shí)，其常見(jiàn)病害中的跨中下?lián)稀⒌装甯拱彘_(kāi)裂等問(wèn)題一直是相關(guān)學(xué)者的顧慮。本文主要就山區(qū)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，吸取連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，借鑒國(guó)內(nèi)外連續(xù)剛構(gòu)橋成功案例，重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)耐久性、標(biāo)定主梁重要結(jié)構(gòu)尺寸、后期橋梁病害解決等問(wèn)題，并提出合理化建議以期達(dá)到后期推廣應(yīng)用的目的。

1 設(shè)計(jì)思路與理念分析

1.1 耐久性分析

結(jié)構(gòu)的耐久性決定著橋梁使用壽命。耐久性設(shè)計(jì)必須考慮到原材料的耐久性，在設(shè)計(jì)時(shí)主要分析混凝土材料強(qiáng)度、混合比例與后期防護(hù)措施等三個(gè)方面。

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋需要混凝土具有強(qiáng)度高、收縮徐變小、緩凝早強(qiáng)、彈性模量大等特性。在工程實(shí)踐中，應(yīng)充分結(jié)合橋梁構(gòu)件與部位的差異，進(jìn)行混合比例設(shè)計(jì)，其遵循原則為：

(1)樁基混凝土選擇自密實(shí)混凝土。設(shè)計(jì)混合比例不僅要符合強(qiáng)度與耐久性需求，還應(yīng)該最大程度提升混凝土的流動(dòng)性、粘聚性、抗離析性。

(2)承臺(tái)作為大體積混凝土，其混合比例要符合減小混凝土絕熱溫升、增大抗裂能力與體積相對(duì)變化小等要求。

(3)由于墩身混凝土體積大，加上干濕循環(huán)干擾，鋼筋出現(xiàn)生銹現(xiàn)象概率較大。為了保證其外觀質(zhì)量，混合比設(shè)計(jì)必須符合縮小混凝土絕熱溫升、增強(qiáng)抗裂性及工作性能好等要求。

(4)箱梁混凝土混合比例設(shè)計(jì)的重心是達(dá)到抗裂性能這一目標(biāo)，要充分考慮早期強(qiáng)度、后期收縮、彈性模量、徐變等因素，使其均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)值。概括來(lái)說(shuō)混合比設(shè)計(jì)必須達(dá)到降低水化熱、增大體積穩(wěn)定性、削弱徐變與提升抗裂能力的目的。

綜上所述，將各個(gè)部位詳細(xì)的耐久性設(shè)計(jì)措施整理在表1中。

1.2 梁高標(biāo)定

在設(shè)計(jì)連續(xù)剛構(gòu)橋主梁時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)標(biāo)定主梁控制斷面梁高與梁高的變化規(guī)律這兩個(gè)參數(shù)。連續(xù)剛構(gòu)橋主梁根部一般取值為L(zhǎng)/15～L/17，跨中高度常取值為0.024～0.167L。結(jié)合受力特性與結(jié)構(gòu)分析的難易，跨徑小的取高值，跨徑大的取低值。在最初大跨連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)時(shí)，控制斷面取值均較小，如表2數(shù)據(jù)所示，例如根部梁高多取L/17，跨中梁高多標(biāo)定0.022 5L，因?yàn)檫@兩個(gè)主要的控制斷面標(biāo)定值低，因此要借助低次(1.6～1.8次)拋物線調(diào)高0.25L處梁高，從而提升該位置的應(yīng)力值。

表1 連續(xù)剛構(gòu)橋各個(gè)部位耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表

表2 工程實(shí)踐中大跨連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)對(duì)比表

設(shè)計(jì)人員在調(diào)整梁高時(shí)容易忽略梁高變化規(guī)律，僅選擇1.6～1.8次拋物線進(jìn)行調(diào)整。筆者認(rèn)為調(diào)整梁高必須依據(jù)工程實(shí)踐中的計(jì)算分析綜合判定，并給出梁高變化趨勢(shì)后再做調(diào)整，不能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給定。

江西省某連續(xù)剛構(gòu)橋主跨225 m，為了確定其梁高，設(shè)計(jì)人員分別選取1.6次、1.8次、2.0次拋物線進(jìn)行計(jì)算，分析其計(jì)算結(jié)果，最后選定2.0次拋物線，結(jié)構(gòu)受力符合要求，并且能夠控制0.25L處主拉應(yīng)力值。各種指數(shù)改變方式影響著0.15概率的跨徑區(qū)域內(nèi)地曲率值，加上本區(qū)域內(nèi)底板鋼束數(shù)量大，受到縱向預(yù)應(yīng)力徑向力影響，容易形成底板開(kāi)裂現(xiàn)象。因此選擇2.0次拋物線削弱曲率，縮小預(yù)應(yīng)力徑向力分值，提升底板橫向受力值。

1.3 控制持續(xù)下?lián)系牟呗?/h3>

大跨剛構(gòu)橋在投入使用中的病害主要為：混凝土收縮徐變、跨中持續(xù)下?lián)稀⒅髁侯A(yù)應(yīng)力下降、梁底開(kāi)裂等。這些病害互相影響，跨中下?lián)蠈?dǎo)致梁底開(kāi)裂，箱梁底板開(kāi)裂削弱結(jié)構(gòu)剛度，同樣導(dǎo)致跨中下?lián)稀?/p>

大跨連續(xù)剛構(gòu)下?lián)现饕芑炷潦湛s徐變的影響，而收縮徐變受力復(fù)雜且難以用公式精確計(jì)算。因依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算出的混凝土收縮徐變數(shù)值偏小，所以設(shè)計(jì)時(shí)忽略了收縮徐變的影響。針對(duì)連續(xù)剛構(gòu)下?lián)蠁?wèn)題的建議為：

(1)設(shè)計(jì)時(shí)：①要選擇好收縮徐變計(jì)算模型，建議設(shè)計(jì)方法選擇保守型；②應(yīng)通過(guò)增加主梁高度以提高結(jié)構(gòu)剛度，使主梁應(yīng)力狀態(tài)得到調(diào)整；③加設(shè)體外預(yù)應(yīng)力，保證投入使用時(shí)備用。江西省某連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)體外預(yù)應(yīng)力備用剛束，并加設(shè)體外束的轉(zhuǎn)向塊、減震塊與錨固塊，從而提升結(jié)構(gòu)抗扭剛度與降低運(yùn)營(yíng)時(shí)的下?lián)细怕省?/p>

(2)在投入使用時(shí)，依據(jù)橋梁應(yīng)力、變形等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)設(shè)置張拉體外備用束。體外預(yù)應(yīng)力主要提升跨中底板壓應(yīng)力，削弱裂縫發(fā)育，改善撓度。

1.4 高墩二階效應(yīng)分析

橋墩屬于偏心受壓構(gòu)件，其縱向荷載作用的二階效應(yīng)影響較大。在分析正截面抗彎承載能力時(shí)，截面內(nèi)力需要結(jié)合考慮構(gòu)件受到彎矩作用時(shí)平面內(nèi)的撓曲影響軸向力偏心距的問(wèn)題。依據(jù)相關(guān)規(guī)范可簡(jiǎn)化計(jì)算方法，借助偏心距增加系數(shù)和構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度結(jié)合來(lái)計(jì)算二階彎矩影響截面承載力程度，將軸力對(duì)截面重心軸的偏心距與偏心距增加系數(shù)y相乘。該種簡(jiǎn)化方法應(yīng)用于常規(guī)中小結(jié)構(gòu)，因荷載較小，所以設(shè)計(jì)效率提升，且節(jié)約原材料。但該種簡(jiǎn)化方法應(yīng)用于超高墩時(shí)，因長(zhǎng)細(xì)比大，計(jì)算結(jié)果太過(guò)保守，因此要借助計(jì)算機(jī)與有限元技術(shù)，進(jìn)行二階效應(yīng)的P-Δ分析。該種方法基于幾何非線性的桿系有限元法，十分嚴(yán)密，計(jì)算出的桿件控制截面內(nèi)力限值應(yīng)用在截面設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需借助偏心距增加系數(shù)y來(lái)提高截面初始偏心距。

江西省某連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)時(shí)，借助規(guī)范的簡(jiǎn)化計(jì)算公式與精準(zhǔn)的P-Δ分析法進(jìn)行高墩內(nèi)力計(jì)算數(shù)據(jù)分析對(duì)比，以選取高墩計(jì)算的適宜方法。

P-Δ分析是對(duì)橋墩抗彎剛度不斷折減的過(guò)程。在工程實(shí)踐中，選擇我國(guó)規(guī)范取值運(yùn)用相對(duì)保守的方式進(jìn)行折減計(jì)算。

我國(guó)相關(guān)規(guī)范中明確規(guī)定，二階效應(yīng)的彈性分析方法較適用于結(jié)構(gòu)分析時(shí)，構(gòu)件彈性抗彎剛度折減的情況。梁的折減系數(shù)標(biāo)定為0.3，柱的折減系數(shù)標(biāo)定為0.7。

2 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)剛構(gòu)橋在山區(qū)公路建議中有很好的應(yīng)用前景，因此研究山區(qū)大跨連續(xù)橋梁設(shè)計(jì)具有很好的實(shí)用價(jià)值。本文重點(diǎn)分析橋梁耐久性、主梁結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)定、控制跨中持續(xù)下?lián)吓c高墩二階效應(yīng)等四個(gè)方面并進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，依據(jù)多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出合理建議，以期為相似工程項(xiàng)目建設(shè)提供借鑒。