大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)和施工中幾個(gè)問(wèn)題的討論

1、大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)和施工中幾個(gè)問(wèn)題的討論報(bào)告人：杜進(jìn)生北京交通大學(xué)橋梁工程系 主要內(nèi)容1 連續(xù)剛構(gòu)橋的變形和開(kāi)裂2 不同合攏方案對(duì)變形及內(nèi)力的影響3 主梁施工超方及橋面鋪裝超厚對(duì)變形的影響4 如何有效施加豎向預(yù)應(yīng)力5 橋墩變形對(duì)主梁線形的影響6 剛構(gòu)橋的“零彎矩設(shè)計(jì)理論”7 箱梁截面的不均勻收縮徐變問(wèn)題8 小結(jié)施工設(shè)計(jì)1 連續(xù)剛構(gòu)橋的變形和開(kāi)裂造價(jià)相對(duì)較低；施工簡(jiǎn)易快捷；建筑高度小，適應(yīng)能力強(qiáng)；維護(hù)費(fèi)用少。是200m跨徑以?xún)?nèi)的主力橋型。連續(xù)剛構(gòu)橋建成后出現(xiàn)開(kāi)裂及變形過(guò)大的問(wèn)題： 車(chē)輛行駛舒適性破壞橋梁景觀效果橋梁安全性180座主要預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋裂縫統(tǒng)計(jì)：變形不僅僅是下?lián)希殡S某些跨的下?lián)?/p>

2、，另一些跨會(huì)發(fā)生上拱。黃石長(zhǎng)江公路大橋跨中下?lián)?，最大已達(dá)到33.5cm，當(dāng)然同時(shí)出現(xiàn)大量的主拉應(yīng)力斜裂縫與跨中區(qū)段橫向裂縫?；㈤T(mén)大橋輔航道橋跨中下?lián)希?2年22cm，遠(yuǎn)超過(guò)原設(shè)計(jì)預(yù)留值10cm。最近由于橫向裂縫朝腹板發(fā)展，下?lián)现涤衷龃蟮?6cm。湖北鐘祥漢江大橋因下?lián)虾烷_(kāi)裂等嚴(yán)重病害而拆除重建佛開(kāi)高速的潭洲大橋科巴橋該橋建成于1977年，跨徑為 53.6+240.8+53.6m。到建成后第18年，即1995年，該橋跨中一共下?lián)狭?120cm。瑞士VSL公司于1995年對(duì)科巴橋進(jìn)行加固。1996年9月也就是加固工作結(jié)束后3個(gè)月，整個(gè)科巴橋在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下突然全部垮入江中。 美國(guó) Parro

3、tts Ferry 橋99+195+99 帶鉸剛構(gòu) 中跨下?lián)?達(dá)63.5 cm 美國(guó)西北大學(xué) Bazant 教授希望收集到中國(guó)的變形數(shù)據(jù)從施工方面來(lái)說(shuō) ：不能片面強(qiáng)調(diào)縮短施工周期早期混凝土彈性模量的增長(zhǎng)明顯滯后于強(qiáng)度的增長(zhǎng)，添加早劑后，混凝土雖很快達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度要求，但其彈性模量往往僅達(dá)到設(shè)計(jì)值的70%甚至更小。早期加載，使混凝土徐變?cè)龃蟆Ｓ晒泛O(shè)計(jì)規(guī)范中的混凝土徐變系數(shù)終極值梁體下?lián)峡梢?jiàn)，3天加載與7天加載比較，徐變系數(shù)終極值增加15%20%。不同施工合攏方案對(duì)變形及內(nèi)力的影響主梁施工超方及橋面鋪裝超厚對(duì)變形的影響如何有效施加豎向預(yù)應(yīng)力合攏2 不同施工合攏方案對(duì)變形及內(nèi)力的影響 涇河大橋立面

4、意圖（單位：m）涇河大橋立面示意圖涇河大橋合攏方案研究效果圖涇河大橋合攏方案研究 涇河大橋立面意圖（單位：m）多跨連續(xù)剛構(gòu)橋合攏的一般步驟：T構(gòu)構(gòu)分段連續(xù)形成全橋涇河大橋共有7個(gè)合攏段（2m），擬定5種常見(jiàn)方案進(jìn)行對(duì)比分析：T構(gòu)圖方案1：邊跨次邊跨次中跨中跨邊跨邊跨次中跨次中跨次邊跨次邊跨中跨方案2：中跨次中跨次邊跨邊跨邊跨邊跨次中跨次中跨次邊跨次邊跨中跨方案3：邊跨次中跨次邊跨中跨。從兩側(cè)向中間先靜定“小合攏”形成構(gòu)，再進(jìn)行超靜定“大合攏”。邊跨邊跨次中跨次中跨次邊跨次邊跨中跨方案4：次中跨邊跨次邊跨中跨。從中間向兩邊先靜定“小合攏”，再進(jìn)行超靜定“大合攏”邊跨邊跨次中跨次中跨次邊跨次邊跨中

5、跨方案5：次邊跨次中跨邊跨中跨。邊跨邊跨次中跨次中跨次邊跨次邊跨中跨 有限元分析采用Midas有限元軟件對(duì)5種合攏方案的成橋狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，有限元模型見(jiàn)下圖。有限元模型不同方案主梁線形比較主梁累計(jì)豎向位移圖階段方案1方案2方案3號(hào)方案4方案5成橋-20.7-66.0-17.5-17.0-19.2成橋10年-43.8-94.0-36.5-36.7-41.8主梁累計(jì)最大下?lián)现担▎挝唬簃m）方案3、方案4豎向下?lián)现递^小，線形較平順，優(yōu)于其他方案不同合攏方案的主梁線形比較主梁累計(jì)最大上拱值（單位：mm）階段方案1方案2方案3號(hào)方案4方案5成橋54.30.259.059.546.5成橋10年40.7-

6、1.446.447.132.5墩頂水平位移比較 墩頂最大水平位移絕對(duì)值方案1方案2方案3號(hào)方案4方案52829183331墩頂最大水平位移值（單位：mm）方案3最大水平位移最小，并且各墩變形較均勻，優(yōu)于其他方案合攏成橋墩頂水平位移主梁應(yīng)力比較主梁上緣應(yīng)力（壓應(yīng)力）分布主梁上緣應(yīng)力 主梁下緣應(yīng)力主梁下緣應(yīng)力（壓應(yīng)力）分布不同合攏方案對(duì)主梁應(yīng)力影響不明顯墩底內(nèi)力比較710號(hào)墩墩底剪力值分布圖8 墩底剪力圖圖9 墩底彎矩圖710號(hào)墩墩底彎矩分布其中方案3，墩底產(chǎn)生的剪力和彎矩較小，且各墩墩底受力相對(duì)均勻，單從墩底受力角度考慮，方案3最為合理。通過(guò)對(duì)主梁線形、墩頂位移、主梁應(yīng)力、墩底內(nèi)力對(duì)比分析，涇河

7、大橋合攏采用方案3（邊跨、次中跨、次邊跨、中跨的合龍順序）最為合理。設(shè)計(jì)方和施工方將方案3定為最終合龍方案。邊跨邊跨次中跨次中跨次邊跨次邊跨中跨成橋后內(nèi)力和變形預(yù)測(cè)按照設(shè)計(jì)施工過(guò)程進(jìn)行有限元建模，對(duì)方案3下成橋內(nèi)力和變形進(jìn)行預(yù)測(cè) 主梁應(yīng)力 墩底內(nèi)力 主梁線形 墩頂位移主梁上緣應(yīng)力-0.4MPa-11.8MPa主梁下緣應(yīng)力-1.4MPa-10.7MPa在恒載作用下，主梁上緣產(chǎn)生最小壓應(yīng)力為0.4MPa，最大壓應(yīng)力為11.8 MPa；主梁下緣最小壓應(yīng)力為1.4 MPa，最大壓應(yīng)力為10.7MPa梁體全截面受壓，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。返回橋墩號(hào)7號(hào)8號(hào)9號(hào)10號(hào)軸力(kN)-56824.9-53929-52

8、659.6-54406.3剪力(kN)-10.7-171.9231.8-56.4彎矩(kNm)-422.6-6529.88248.7-1131.5最大應(yīng)力(MPa)-2.9-3.3-3.4-2.9最小應(yīng)力(MPa)-2.7-2.3-2.0-2.5橋墩墩底內(nèi)力墩底全截面受壓，未產(chǎn)生拉應(yīng)力返回成橋主梁豎向位移最大下?lián)现禐?17.1mm-17.1mm最大上拱值為61.8mm 61.8mm成橋10年主梁豎向位移返回最大下?lián)现禐?38.3mm最大上拱值為45mm -38.3mm45mm墩頂順橋向水平位移7號(hào)墩墩頂位移由向左的-1.6mm變?yōu)橄蛴业?7mm，變化值為78.6mm10號(hào)墩由向右的3mm變?yōu)橄?/p>

9、左的-51.5mm，變化值為54.5mm 橋墩號(hào)7號(hào)8號(hào)9號(hào)10號(hào)成橋位移(mm)-1.6-19.021.23.010年后位移(mm)77.014.810.6-51.53 主梁施工超方及橋面鋪裝超厚對(duì)變形的影響橋涵施工規(guī)范規(guī)定, 橋梁結(jié)構(gòu)斷面尺寸允許有5誤差，橋面鋪裝厚度允許超厚L/5000(7000) 彈性撓度小，徐變撓度必然也小因此要設(shè)法減小彈性撓度。某主跨230m的大橋，分析結(jié)構(gòu)超方5，同時(shí)橋面鋪裝調(diào)平層超方10、20、30、50和100對(duì)于跨中撓度的影響，超方對(duì)跨中點(diǎn)撓度的影響：超方情況結(jié)構(gòu)超方5彈性撓度徐變撓度調(diào)平層超方10%18-34.0調(diào)平層超方20%15.5-35.8調(diào)平層超方

10、30%13.2-37.9調(diào)平層超方50%8.5-41.9調(diào)平層超方100%-3-52.5在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，考慮不同情況超方后跨中的撓度，從中可看出，原設(shè)計(jì)彈性撓度向上，超方使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下的撓度，當(dāng)結(jié)構(gòu)超方5，調(diào)平層超方100時(shí)，彈性撓度已有原來(lái)的向上18mm，下降為向下3mm，即下?lián)?1mm。從表中還可以看出，超方不僅影響彈性撓度，同時(shí)對(duì)徐變撓度影響更大。 補(bǔ)救措施?涇河橋超方后 彈性撓度涇河橋超方后 徐變撓度超方情況結(jié)構(gòu)超方5二期鋪裝(kN/m)彈性撓度(mm)徐變撓度(mm)無(wú)超方73.2-30.6-39.5鋪裝層超方10%77.79-49.8-74.3鋪裝層超方20%82.48-53.4-

11、80.8鋪裝層超方40%91.86-60.7-93.7鋪裝層超方100%110.62-75.2-119.6涇河橋超方后 彈性和徐變撓度對(duì)比4 如何有效施加豎向預(yù)應(yīng)力豎向預(yù)應(yīng)力不足是預(yù)應(yīng)力箱梁腹板出現(xiàn)斜裂縫的主要原因之一。精軋螺紋鋼錨固體系存在以下不足：（1）張拉應(yīng)力低，伸長(zhǎng)量??；（2）剛性索，施工稍有偏差，螺母就擰不到位；（3）張拉控制應(yīng)力高，易斷筋，難更換。湖南大學(xué)：5m長(zhǎng)的鋼絞線經(jīng)二次張拉后，回縮損失由24降為5，預(yù)應(yīng)力效率至少是精軋螺紋鋼的2倍。梁高3m的4米長(zhǎng)節(jié)段混凝土箱梁兩種預(yù)應(yīng)力體系等應(yīng)力時(shí)造價(jià)比較32mm 精扎螺紋鋼筋 9955.2 元鋼絞線 6793.4 元?jiǎng)倶?gòu)墩身建成后相當(dāng)長(zhǎng)

12、時(shí)間，才建墩上梁的0號(hào)塊。由于墩身橫向收縮已大部分完成，而0號(hào)塊橫向收縮受到墩身約束導(dǎo)致底板中部出現(xiàn)裂縫。所有存在齡期差的混凝土結(jié)合面，都有因收縮差而出現(xiàn)縱向裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。因此，節(jié)段澆筑時(shí)間間隔不要過(guò)長(zhǎng)，截面配筋要考慮收縮影響。超載特別是超重車(chē)軸荷載的作用，對(duì)橫向的影響比縱向更大，這是因?yàn)榭v向彎矩自重絕占大部分；而橫向彎矩主要由活載引起，軸重超過(guò)規(guī)范時(shí)，易出現(xiàn)頂板下緣的縱向裂縫。裂縫成因之一：日照作用下腹板內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力可達(dá)2MPa汽車(chē)活載對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響分析對(duì)于長(zhǎng)期作用在橋梁上的汽車(chē)活載，在計(jì)算中給予適當(dāng)?shù)恼蹨p，取兩車(chē)道進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算20年時(shí)間活載效應(yīng)產(chǎn)生的長(zhǎng)期徐變撓度。涇河橋 活載效應(yīng)造成的彈性

13、撓度最大值為4.1cm，長(zhǎng)期徐變撓度增量為4.7cm。蘇通橋 活載產(chǎn)生的彈性撓度為6.1cm，除去活載彈性撓度的影響，活載效應(yīng)造成的長(zhǎng)期徐變撓度增量為5.3cm 橋墩變形對(duì)主梁線形的影響墩高不同截面尺寸不同豎向彈性變形不同位置不同豎向徐變變形不同變形差橋墩豎向變形差對(duì)主梁線形的影響包括兩部分。第一，橋墩豎向位移將直接引起墩頂處梁端的豎向下移，這將使每跨主梁線形產(chǎn)生線形變化。第二，橋墩豎向變形使得主梁產(chǎn)生附加內(nèi)力，進(jìn)而使得主梁產(chǎn)生間接變形。涇河橋成橋20年由橋墩變形引起的主梁直接和間接變形直接變形要大于間接變形涇河橋成橋20年由橋墩變形引起的主梁總變形見(jiàn)下圖：合攏成橋20年后引起主梁最大下?lián)希ㄩL(zhǎng)

14、期）最大值為33.3mm。沿截面高度的壓應(yīng)力分布梯度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響沿截面高度的壓應(yīng)力分布梯度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響應(yīng)控制負(fù)彎矩區(qū)域截面的應(yīng)力梯度內(nèi)支點(diǎn)底板厚度宜不小于跨徑的1/140。傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力配束觀點(diǎn)以強(qiáng)度為目標(biāo)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，選擇成橋后運(yùn)營(yíng)狀態(tài)為基本圖式（即一次落架圖式），通過(guò)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的內(nèi)力包絡(luò)圖，按保留一定壓應(yīng)力儲(chǔ)備原則來(lái)設(shè)計(jì)梁體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力索。為了使施工中梁頂面的標(biāo)高符合設(shè)計(jì)線形，通常設(shè)置一定的預(yù)拱度。在雙懸臂施工中，梁的安裝標(biāo)高還要根據(jù)分塊施工預(yù)應(yīng)力大小以及梁段標(biāo)高實(shí)測(cè)情況，通過(guò)工程控制計(jì)算來(lái)確定。對(duì)大于150m 梁橋箱梁中按“零彎矩”配索設(shè)計(jì)在實(shí)際中很難辦到，故需找新徑。 “零彎矩”觀點(diǎn)以

15、撓度為控制目標(biāo)，由于不設(shè)預(yù)拱度橋梁線型始終不變。根據(jù)林同炎教授提出的荷載平衡概念，假如用預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩平衡自重產(chǎn)生的彎矩，這樣在預(yù)應(yīng)力和自重作用下結(jié)構(gòu)將處于軸向受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在混凝土長(zhǎng)期收縮和徐變作用下，只會(huì)發(fā)生軸向變形，而不會(huì)發(fā)生彎曲下?lián)稀睦碚撋现v，設(shè)計(jì)時(shí)只要保證結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力和自重作用下，每個(gè)截面彎矩為零，那么建造時(shí)就可以不設(shè)置預(yù)拋高。這樣有利于施工控制。 采用恒載零彎矩理論分階段配置預(yù)應(yīng)力鋼束具體做法是：在懸臂階段，按照結(jié)構(gòu)零彎矩要求設(shè)計(jì)懸臂靜定束。使單個(gè)T構(gòu)僅受軸向壓力作用。然后根據(jù)結(jié)構(gòu)合攏順序，設(shè)計(jì)后期束，滿(mǎn)足正常使用階段應(yīng)力要求。對(duì)于采用懸臂澆注法施工的梁橋，由于每個(gè)節(jié)段混凝土齡

16、期有差異，預(yù)應(yīng)力損失難以精確計(jì)算。很難保證每個(gè)截面彎矩都為零。但是，可以根據(jù)恒載零彎矩理論配束，使每個(gè)截面在恒載作用下總彎矩較小，這樣撓度和徐變內(nèi)力均較小，有利于工程控制。箱梁截面不均勻收縮徐變研究均勻收縮不均勻收縮軸向變形，無(wú)截面轉(zhuǎn)動(dòng)混凝土板，干縮率大致與板厚度的平方成反比軸向變形，截面轉(zhuǎn)動(dòng)箱梁截面不均勻收縮徐變研究不同板厚的板收縮變形隨時(shí)間的發(fā)展薄板收縮速度快于厚板混凝土300天、1000天、10000天 0.3m的板收縮應(yīng)變?yōu)?.3m的板收縮應(yīng)變的4.1倍、3.8倍、2.3倍箱梁截面不均勻收縮徐變研究板厚對(duì)徐變系數(shù)的影響板厚從0.31.3m變化，徐變系數(shù)相差很小箱梁截面不均勻收縮徐變研究箱梁節(jié)段分析收縮后保持平截面梁?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)降溫 不均勻收縮效應(yīng)可以等效為梯度溫度荷載在梁?jiǎn)卧袑?shí)現(xiàn)頂板厚度0.3m，不同底板厚度截面曲率隨時(shí)間的發(fā)展截面曲率先增大后減小不均勻收縮對(duì)主梁撓度影響主梁豎向變形值主梁累計(jì)最大上拱值（mm）主梁累計(jì)最大下?lián)现担╩m）板厚(m)1年2年4年10年20年均勻收縮5.84.83.30.38-2.7不均勻收縮21.725.728