預應力混凝土連續(xù)梁橋設計探究
2010-08-09
連續(xù)梁橋是工程上廣泛使用的一種橋型。它不但具有可靠的強度、剛度及抗裂性．而且具有行車平穩(wěn)舒適、養(yǎng)護工作量小、設計及施工經(jīng)驗成熟的特點，與其它橋型相比具有很強的經(jīng)濟性，常成為最佳橋型方案。通過多年參與、負責的預應力混凝土連續(xù)梁(連續(xù)剛構)橋的設計工作，對這種橋型有了較深刻地體會及認識，現(xiàn)將設計中應注意的問題，談一些觀點。
1 跨徑布置及結(jié)構尺寸的擬定
當橋梁的設計方案選定后。首先應進行橋梁的總體布置和確定結(jié)構的構造尺寸，預應力混凝土連續(xù)梁的布宣和構造，應考慮橋梁的技術經(jīng)濟指標、跨越性質(zhì)和水文、地質(zhì)條件以及施工方法。其中不論是等截面還是變截面連續(xù)梁(剛構)，合理的主、邊跨比、跨徑與梁高的比例非常重要。若選用不當，將會導致箱梁混凝土開裂或邊跨、邊墩受力不合理。在具體設計時先根據(jù)通航或通行凈空，結(jié)合地形、地物等控制因素定出主跨跨徑，然后結(jié)合橋梁所采用施工方法來選定邊跨跨徑，再通過細部尺寸擬定來調(diào)整主、邊跨的剛度來調(diào)整主梁各截面的內(nèi)力．直至滿足設計規(guī)范要求。對于跨徑20～50 m的連續(xù)梁，一般作成等截面形式，梁高一般為跨徑的1／15—1／30，這種橋型常采用滿堂支架、移動模架逐孔施工和頂推施工的方法；對于較大跨徑的多孑L連續(xù)梁，常作成變截面的形式，其支點梁高為最大跨徑的1／15～1／20，跨中梁高為最大跨徑的1／30—1／50，這種橋型通常采用懸臂法進行施工，其邊跨跨徑一般為中跨跨徑的0．65—0．7倍．宜0．55～0．6倍。
在連續(xù)梁橋細部尺寸擬定時．應作一定的計算及分析，對箱梁各部分尺寸進行詳細優(yōu)化。在主、邊跨不變的情況下，結(jié)合所采用的施工方法，考慮不同梁高、不同箱梁頂?shù)装?、腹板厚度；對于連續(xù)剛構橋還須根據(jù)地質(zhì)資料對樁基礎進行等效模擬，考慮不同的雙壁墩間距、不同的截面(空心薄壁型、實心啞鈴型)類型，進行多種組合的分析計算．經(jīng)過反復多次的調(diào)整與綜合考慮，最后確定較為理想的主、邊跨梁高與結(jié)構細部尺寸。接著應對結(jié)構施工階段的梁段劃分、施工可靠度進行了深人的分析驗算，梁段劃分時盡量使所劃分的梁段數(shù)量較少、相鄰兩梁段重量相差較小，以方便施工?？s短施工周期。在施工階段可靠度驗算中應考慮施工過程中在最大懸臂階段可能出現(xiàn)的最不利的施工荷載、結(jié)構自重的不均勻性以及風力對結(jié)構的影響等。運營階段則考慮恒載、活載、預應力、混凝土收縮徐變、基礎沉陷、溫度變化、風力及地震力對主橋結(jié)構上下部的影響，進行多種組合分析計算，以保證結(jié)構受力合理、施工簡便安全。
2 預應力鋼束布設
在連續(xù)梁橋(剛構橋)設計中縱向預應力索的布置宜多采用通長束，減少在跨中和支點布置的短束。對于逐孔施工的連續(xù)梁橋．通長束錨固在相臨孔約0．2 L處，錨固后用連接器接長，在一個施工縫處不宜錨固所有鋼束。最好有一半左右的連續(xù)束在下一個施工縫處錨固。每束不宜采用較大的張拉噸位，以使主粱截面的受力較為均勻：對于用支架現(xiàn)澆的連續(xù)梁，縱向預應力鋼束一般需作齒板進行錨固，齒板應分散布置．不宜集中．在一個齒板上錨固噸位較大的鋼束應不多于兩束，齒板最好布置在混凝土受壓部位，以防局部應力集中產(chǎn)生裂縫；對于跨徑較大的連續(xù)梁與連續(xù)剛構橋，通常采用懸臂施工，在一些橋梁的設計中，縱向預應力索常采取直線索．用張拉普通精軋螺紋鋼筋來克服結(jié)構的剪應力，但近年來的實踐證明。單純用豎向預應力鋼筋來克服剪應力的做法值得商榷。主要原因有幾個方面：其一，豎向布置的精軋螺紋鋼筋較短，張拉時預應力損失較大．有的甚至一點儲備也沒有；其二、施工時張拉控制措施不到位：其三、管道壓漿不密實。以上幾種情況可通過采用高強精軋螺紋鋼筋取代普通精軋螺紋鋼筋以提高張拉噸位、施工時二次補拉以及采用真空吸漿工藝使預應力管道密實等措施來盡量減少預應力損失。增加豎向預應力儲備。但最直接、最有效的辦法還是在連續(xù)梁主梁支點左右一定范圍內(nèi)布置下彎索。在其端部將縱向預應力鋼束彎起，以抵抗剪應力的作用。這一點已經(jīng)重新得到橋梁工程界的普遍認可。同時也可以通過增加箍筋數(shù)量來增大腹板的抗剪儲備。
3 溫度問題
根據(jù)這幾年的工作體會．在設計橋梁時應重視溫度應力的影響作用?！豆蜂摻罨炷良邦A應力混凝土橋涵設計規(guī)范(JTJ023—85)》中只規(guī)定了T形截面連續(xù)梁由于日照溫差所引起的內(nèi)力計算(即混凝土連續(xù)梁由于日照引起的橋面與其它部分的溫度差而產(chǎn)生的內(nèi)力，在缺乏實測資料時，可假定溫度差+5℃(橋面板上升5 oC)，并在橋面板內(nèi)均勻分布)，對箱型截面連續(xù)梁的溫度應力及溫度梯度的取值未作規(guī)定與說明，故在橋梁進行溫度力分析計算時若參考JTJ023—85橋規(guī)取值，可能導致計算結(jié)果偏于不安全，不能反應橋梁實際所受的溫度內(nèi)力。以某立交匝道橋的溫度計算為例。在考慮恒載、活載、支座沉降的工況下第八跨跨中下緣拉應力為1．4 MPa，考慮橋面板升溫5℃時下緣拉應力為2．44 MPa，增加了74％ ，比活載產(chǎn)生的拉應力還要大。我國橋梁新規(guī)范JTGD62—2004及JTGD60—2004 對橋梁結(jié)構由于梯度溫度引起的效應給出了豎向溫度梯度曲線。國外如英國、新西蘭、日本等國家的規(guī)范對連續(xù)箱梁的溫度梯度模式都作了詳細規(guī)定。對于同一橋梁結(jié)構，采用不同的溫度梯度模式得到的梁內(nèi)溫度應力值相差很大．因此，為保證橋梁結(jié)構抗裂性，合理的溫度梯度模式。對橋梁設計驗算準確性極為重要。
4 徐變和收縮及其次內(nèi)力問題
在長期荷載或應力作用下，混凝土的徐變和收縮對結(jié)構的變形、結(jié)構的內(nèi)力分布和結(jié)構內(nèi)截面(在組合截面情況下)的應力分布都會產(chǎn)生很大的影響。歸納起來為：結(jié)構在受壓區(qū)的徐變和收縮會增大撓度；徐變會增大偏壓柱的彎曲。l由此增大初始偏心，降低柱承載力；預應力混凝土構件中，徐變和收縮將導致預應力損失；結(jié)構構件截面如組合截面(不同材料組合的截面如鋼筋混凝土組合截面，或不同齡期混凝土組合的截面等)，徐變會使截面應力重分布；對于超靜定結(jié)構，混凝土徐變將導致內(nèi)力重分布。亦及徐變將引起結(jié)構的次內(nèi)力；混凝土收縮會使較厚構件(或在結(jié)構構件截面形狀突變處)的表面開裂。這種表面裂縫是因為收縮總在構件表面開始，但受到內(nèi)部的阻礙引起收縮拉應力而產(chǎn)生。
由于徐變總應變可高達加載后產(chǎn)生的彈性變形的1—4倍。所以混凝土的徐變效應，在混凝土橋梁設計中是必須考慮的。在超靜定結(jié)構中由于徐變產(chǎn)生次內(nèi)力．而應力變化的徐變及次內(nèi)力計算較為復雜?，F(xiàn)較常用的方法：狄辛格方法；Trost”Bazant法；采用位移法的有限元逐步分析法。狄辛格法當采用老化理論時，對后期加載的長期徐變效應估計過低。而對遞減荷載的長期徐變效應又估計過高。由于狄辛格方法未考慮徐變中的“延滯彈性變形”，而延滯彈性變形部’分8 ，它可高達加載后產(chǎn)生的彈性變形的24％一44％。所以狄辛格方法計算的徐變效應有時與實際出入較大。隨著計算機技術的進步和結(jié)構有限元方法的應用，根據(jù)Trost—Bazant按齡期調(diào)整的有效模量法與有限元法相結(jié)合，人們采用位移法的有限元逐步計算法，將使得徐變分析更逼近實際。
5 結(jié) 語
預應力連續(xù)梁橋的設計是一項復雜而細致的工作．若要成功地設計好一座橋梁必須從橋跨布設．尺寸擬定、鋼束布置以及施工方法等方面綜合考慮；同時應在眾多的數(shù)據(jù)中選擇正確的設計參數(shù)：并充分考慮環(huán)境(包括溫度、徐變和收縮)對結(jié)構的影響。
[作者簡介]
王洪超(1969一)，男，工程師 ，1992年畢業(yè)于昆明工學院，現(xiàn)在徐州市交通規(guī)劃設計院長期從事設計監(jiān)理工作。
