连续刚构桥设计关键技术问题的探讨
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文章编号:1003-4722(2009)06-0046-04
桥梁建设 2009年第6期
连续刚构桥设计关键技术问题的探讨
冯鹏程
(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉430056)
摘 要:针对连续刚构桥箱梁混凝土开裂、跨中下挠、底板崩裂等病害,分析其产生的原因,提出一些防止病害发生的对策措施,主要有:腹板斜裂缝可以通过增加梁高、设置腹板下弯钢束及加强竖向预应力有效性来改善;跨中下挠可通过增加顶板负弯矩钢束、采用塑料波纹管和真空辅助压浆工艺、控制钢束张拉龄期及设置后期备用钢束来改善;底板崩裂可通过合理控制结构的预应力度、选择合适的墩身刚度、优化钢束配置、优化梁高变化规律、合理选择底板厚度与波纹管间距及设置防崩钢筋等来改善。
关键词:连续刚构;开裂;跨中下挠;底板崩裂;控制措施中图分类号:U448.23;U445.71
文献标志码:A
StudyofKeyTechnicalIssuesonDesign
ofContinuousRigid FrameBridge
FENGPeng cheng
(TheSecondHighwaySurvey,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,China
CommunicationConstructionCorporation,Wuhan430056,China)
Abstract:Fortheproblemsliketheconcretecracking,midspandeflectionandburstingcrackinthebottomslabofboxgirderofcontinuousrigid framebridge,thecausesleadingtotheprob lemsareanalyzedandsomemeasuresagainsttheproblemsareproposed.Themeasuresaspro posedaremainlyasfollows:theobliquecrackinthewebcanbeimprovedbyincreasingthedepthofthegirder,settingthedrapedstrandsinthewebandenhancingtheeffectivenessoftheverticalprestressing;themidspandeflectioncanbeimprovedbyaddingthenegativemomentstrandsinthetopslab,utilizingtheplasticcorrugatedpipesandconstructiontechnologyofvacuumgrou ting,controllingthetensioningofthestrandsandconcreteageandsettingthesparedstrandsforlaterperiodusageandtheburstingcrackinthebottomslabcanbeimprovedbyrationallycontrol lingtheprestressingdegreeofthestructure,selectingtheappropriaterigidityofpiershaft,opti mizingthelayoutofthestrandsandvariationlawofthedepthofthegirder,rationallyselectingthethicknessofthebottomslab,thespacingbetweenthecorrugatedpipesandsettingtheburst ingcrackresistantreinforcement.
Keywords:continuousrigid framestructure;cracking;midspandeflection;burstingcrackinbottomslab;controlmeasures
收稿日期:2009-09-17
作者简介:冯鹏程(1967-),男,教授级高工,1990年毕业于重庆交通大学桥梁工程专业,工学学士,2000年毕业于东南大学道路与铁道工程专业,工程硕士([email protected])。
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另外,对于跨度较大、梁高较高的箱梁可在箱梁根部一定范围(梁高大于7m左右的区段)采用钢绞线,而对于采用精轧螺纹钢筋的竖向预应力应采用二次张拉工艺,即在第1次张拉完成后间隔一段时间进行第2次张拉,弥补由于操作和设备等原因造成的预应力损失,以加强其有效性。
竖向预应力滞后张拉能改善永存预压应力的分布状态,减少预压应力空白区,使节段竖向预压应力分布均匀,结合实际施工状况,一般以滞后2~3个节段为宜。
3 跨中下挠的控制措施
大跨度连续刚构桥后期下挠的问题已越来越突出,以虎门大桥辅航道桥和黄石长江大桥为例,虎门大桥辅航道桥主跨270m连续刚构,在通车运营7年后跨中最大下挠了22.2cm;黄石长江大桥主跨245m连续刚构,在通车运营7年后跨中最大下挠了30.5cm
[4]
[3]
1 前 言
连续刚构桥以其跨越能力大、施工方便、造价低等优势广泛应用于桥梁工程中,特别是随着高速公路建设向山区快速延伸,高墩大跨径预应力混凝土连续刚构桥在我国得到迅速发展,据不完全统计,主跨200m以上连续刚构桥有55座[1],但近几年在我国修建的连续刚构桥中,箱梁混凝土开裂、跨中下挠、底板崩裂等病害较为普遍。
本文针对这些病害,分析其产生的原因,提出设计中应引起重视的关键技术问题,探讨防止病害发生的对策措施,进而为该类桥梁的设计与施工提供参考。
2 腹板斜裂缝的控制措施
腹板斜裂缝主要发生在1/4跨径附近,造成腹板出现斜裂缝的最主要、最直接的原因是主拉应力过大,竖向预应力的有效性不足等,在设计中可采取下列措施。
2.1 增加梁高
早期箱梁根部梁高一般为跨径的1/18~1/20,实践证明,适当增加梁高,可增加主梁刚度,改善主梁的应力状况,因此,近期设计的连续刚构箱梁根部梁高增加为跨径的1/16~1/18。已建成通车的贵遵高速公路乌江大桥根部梁高为跨径的1/16.7,腹板未出现斜裂缝。
2.2 设置腹板下弯钢束
早期以黄石长江大桥为代表的连续刚构桥,为方便施工,均采用直束的布束方式,悬浇钢束锚固在箱梁顶部加腋位置,文献[2]对直束和下弯束2种布束方式进行了研究,结果表明:布置下弯钢束可有效减小截面的剪力和主拉应力,对预防腹板开裂有明显的作用。
2.3 加强竖向预应力的有效性
精轧螺纹钢筋锚固方便、强度高、回缩损失小,因而竖向预应力普遍采用精轧螺纹钢筋,但现场调查表明:竖向预应力由于预应力筋短,锚具预应力损失大;精轧螺纹钢筋YGM锚固体系由于力筋是刚性索,对施工安装锚固螺母、预应力钢筋、锚垫板安装精度要求高,施工上具有一定的难度;而工艺上又常忽视上述特点,因此精轧螺纹钢筋的有效性一直得不到保证,损失大或失效的比较普遍。为改善这种状况,湖南大学邵旭东教授主持开发了 二次张拉低回缩箱梁腹板竖向预应力锚固体系 ,较好地克服了精轧螺纹钢筋的不足,值得推广应用。
。
引起跨中下挠的主要原因可能是:主梁混凝土收缩及徐变、主梁因开裂而发生的刚度变化、主梁纵向预应力有效性降低和由施工偏差及车辆超载引起的荷载增加等,文献[5]分析了主跨245m连续刚构跨中持续下挠的原因主要是纵向预应力有效性降低而引起的。在设计中主要采取下列措施。3.1 建议增加顶板负弯矩钢束
预应力混凝土连续刚构桥在预应力和竖向荷载的共同作用下,可视为一种偏心受压结构,因而结构的徐变可以分解为轴向徐变和弯曲徐变,若结构各截面沿梁高方向的应力梯度为0,则结构中只有轴向应力和轴向徐变,而轴向徐变的不利影响很小。弯曲徐变是由沿截面高度的应力梯度引起的,如根部附近存在较大的上大下小的应力梯度,后期弯曲徐变会使跨中下挠,因此增加顶板负弯矩钢束,使截面应力梯度趋于0,对预防跨中下挠是有好处的。3.2 采用塑料波纹管和真空辅助压浆工艺在江苏沪宁高速公路改扩建中,对沪宁高速公路上拆除的3座连续梁桥预应力孔道的压浆情况调查发现:预应力混凝土连续梁的纵向孔道压浆达到密实的仅占调查截面总数的50%左右,全空的占调查截面总数的15%左右;横向预应力钢束孔道压浆达到密实的比例不到30%。为保证管道压浆密实,防止预应力钢束腐蚀,减少后期预应力损失,纵向预应力钢束采用塑料波纹管,真空辅助压浆工艺。从已建成通车的贵遵高速公路乌江大桥真空辅助压浆
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的情况看,效果明显好于普通压浆。3.3 控制钢束张拉龄期
在连续刚构桥的悬臂施工中,为了加快施工进度往往在混凝土中加入早强剂然后进行早期张拉,大量实践证明,早强剂虽然可以提高混凝土的早期强度,但早期混凝土的弹性模量仍偏低,此时张拉预应力将导致徐变引起的预应力损失过大,因此,预应力钢束的张拉应采用应力和龄期双控,一般混凝土强度达设计强度85%且混凝土龄期不少于5d后方能张拉钢束,避免早期过大的收缩徐变损失。3.4 设置后期备用钢束
对于跨度较大的连续刚构桥,为了调整后期数值超过预期值的徐变挠度,在运营阶段可能还需要施加额外的预应力,因此设置备用钢束预留孔道是十分必要的,比较合理的钢束预留量为总预应力的5%~10%[6]。
4 底板崩裂的控制措施
近年来,连续刚构桥在施工中张拉合龙束时,时常出现箱梁底板崩裂的事故,崩裂的原因主要是由于合龙束产生的径向下崩力。在设计中主要采取下列措施。
4.1 合理控制结构的预应力度
!公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范∀(JTGD62-2004)在安全度的控制方面比!公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范∀(JTJ023-85)要求高,按规范JTGD62-2004设计的桥梁跨中底板混凝土的压应力储备不宜过大,在最不利荷载组合下,压应力宜控制在1~1.5MPa。4.2 选择合适的墩身刚度
墩身纵向刚度过大,适应上部结构变形的能力差,中跨合龙钢束的用量必然大,因此在强度和稳定性满足要求的前提下,桥墩的纵向刚度不宜过大,以减少混凝土收缩徐变、温度等作用对结构受力的不利影响,尽量减少合龙钢束用量。
4.3 优化钢束配置
某(85+160+85)m连续刚构,支点梁高10m、跨中梁高3.5m,底板厚0.32~1.0m,梁高与底板厚度均按二次抛物线变化,腹板厚度分别为80,60,40cm,不同配束方案钢束用量及相应跨中下缘应力比较见表1。
从表1可以看出:在保持跨中下缘安全度基本不变的情况下,增加负弯矩束可减少底板合龙束,从而减小径向力,从源头上防止底板崩裂。这也和3.1
参 考 文 献:
桥梁建设 2009年第6期
表1 钢束用量及相应跨中下缘应力比较
配束方案
1
23
负弯矩束/束
1050
12401330
跨中合龙束/束跨中下缘应力/MPa
3421.243
300270
1.1671.445
注:1束钢束为由7根钢丝组成的公称直径15.2mm的钢绞线。
节中控制跨中下挠的措施是一致的,二者可结合一起考虑。
4.4 优化梁高变化规律
早期设计的连续刚构桥的梁高均采用二次抛物线变化,在根部梁高和跨中梁高确定的情况下,适当减小抛物线次数,能增大L/4附近截面的梁高,改善L/4附近截面的主拉应力,但是太小的抛物线次数又会带来跨中截面附近底板曲率半径小、径向力增大的问题,因此,合理选取梁高变化规律是十分重要的,笔者建议抛物线次数不宜小于1.8。4.5 合理选择底板厚度与波纹管间距
规范JTGD62-2004规定箱梁底板中部厚度不应小于板净跨径的1/30,且不应小于200mm;波纹管净距不应小于40mm,且不宜小于管道直径的0.6倍。由于波纹管的影响,过小的底板厚度和波纹管间距易形成"蜂窝煤"现象,削弱底板的整体强度,建议底板厚度与波纹管直径相关联,一般不小于波纹管直径的3倍,波纹管净距应不小于60mm。4.6 设置防崩钢筋
底板防崩钢筋应根据径向力的大小计算确定,规范JTGD62-2004和文献[7]均给出了配筋计算方法,笔者建议:对于管道比较集中的跨中附近几个节段,应采用闭合箍筋,因为单肢箍筋施工时易忽视,且应确保箍住最外层钢筋。5 结 语
连续刚构桥是一种较为经济合理、施工安全可靠的桥型,在众多的桥型中占有一定的位置,特别是在西部山区跨越深谷、河流等有着广阔的应用前景,施工和使用中出现的这些问题,主要是认识不足或重视不够,只要认真总结经验教训,这些问题是可以克服的。
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图8 南粤狮子洋大桥主桥布置
1600~2000m的常规双塔悬索桥方案相比较,前者在技术、经济、景观环境等方面优势十分明显。6 结 语
多塔多跨悬索桥的结构布局,是以多塔支承的连续主缆,在首尾两端固定于锚碇,和不一定完全连续的加劲梁构成的悬吊体系。在恒载均匀分布于全桥和不计入温差的条件下,各塔的塔顶不出现顺桥
向水平位移。在活载作用下,各塔塔顶以其所在的位置不同,都会发生大小不一的水平位移,以协调主缆中所承受的水平拉力的平衡。同时各塔塔身因位移而受剪和产生挠曲弯矩。
采用多塔多跨长联的悬索桥布置,因其主缆截面和只在两终端各设1个锚碇的工程量,其规模只相当于其中的1个跨度的需要而已。其在技术、经济方面的优势显而易见。