大跨度预应力混凝土连续刚构桥设计研究

　　摘要:本文对预应力混凝土连续刚构桥进行结构分析，其次，本文从设计理论、预应力筋配置、方面对预应力混凝土连续刚构桥在使用中出现的裂缝等问题进行了讨论。
　　关键词:预应力混凝土；连续刚构；裂缝
　　随着国际经济带动交通事业的发展，交通量日益增大，桥梁事业正面临着严峻的考验。近年来，我国修建了很多大跨径预应力混凝土连续刚构桥，也暴露出一些问题，其中裂缝等问题尤为突出，引起了工程界的普遍关注。
　　1预应力混凝土连续刚构桥结构特征
　　连续刚构桥是预应力混凝土大跨梁式桥的主要桥型之一，它综合了连续梁桥和T形刚构桥的受力特点，将主梁做成连续梁体与薄壁桥墩固结而成。预应力混凝土连续刚构桥是将连续的梁体与桥墩固结而形成的，节省了大型支座的昂贵费用，其梁体受力接近于连续梁，利用薄壁桥墩的柔度适应由预应力、混凝土收缩徐变和温度变化引起的纵向位移，减少了墩及基础的工程量并改善了结构在水平荷载作用下的受力性能。
　　对于预应力混凝土连续刚构桥，其特点是:梁保持连续，梁墩固结。由箱型截面预应力混凝土主梁、双薄壁钢筋混凝土墩柱和大型整体式基础结构等组成。在构造上分为跨内梁部设铰和梁部连续两种类型。目前的连续刚构体系基本采用后者。连续刚构体系也可称为具有墩梁固结的连续梁桥，墩梁固结有利于悬臂施工，且可以减少大型支座，通常在需要布置大跨、高墩处采用。连续刚构桥的主要特点表现在以下几个方面:从受力方面，上部结构仍表现出连续梁的特点，但必须计入由于桥墩受力及混凝土收缩、徐变和温度应力引起的变形对上部结构的影响。因桥墩具有一定的柔度，与T型刚构相比，其墩底所受弯矩很小，而在墩梁结合处仍有刚架受力特点。
　　从构造方面，主梁通常采用变截面箱型梁，桥墩多采用矩形和箱型截面的柱式墩或双薄壁墩，墩梁固结。桥梁两端的伸缩装置适应结构纵向位移的需要，同时桥台处设置控制水平位移的挡块，用以保证结构的水平稳定性。
　　从结构适应位移的角度看，连续刚构体系利用高墩的柔度来适应结构由预加力、混凝土收缩、徐变和温度变化等引起的纵向位移，即把高墩视为一种可摆动的支撑体系。边跨桥墩因墩高较矮，相对刚度增大，当其不能起到摆动作用时，需在桥墩顶部或底部设铰，以适应纵向位移。
　　2裂缝问题
　　近年来在一些大跨径预应力混凝土连续刚构桥出现的裂缝问题主要表现为以下几种形式:
　　(1)、主箱梁腹板出现斜裂缝，主要是边孔近现浇段和中孔1/4～3/SL段出现较多；
　　(2)、主箱梁底板跨中部分张拉锚固后出现纵向裂缝；
　　(3)、箱梁具有较长悬臂翼缘板在顶板悬臂根部出现纵向裂缝，宽箱梁在跨中顶板出现纵向裂缝；
　　(4)、箱梁桥横隔板孔洞周围放射型裂缝和孔洞之间的竖向裂缝。
　　按裂缝产生的外因主要是由：荷载裂缝、温度裂缝、收缩裂缝、基础变形裂缝、钢筋锈蚀裂缝造成的。预应力混凝土连续刚构桥结构裂缝生成的原因，涉及设计计算、施工工艺、养护管理、后期使用、材料质量、气候环境等各个方面。因此要细致地分析每一因素对箱梁桥结构裂缝的影响程度是很困难的，多数情况下也是没有必要的。通过对结构裂缝形式和状态的调查发现，目前预应力混凝土连续刚构桥结构裂缝的产生位置有一定的规律性，也就可以推断导致该类结构裂缝产生的影响因素，因此通过结构裂缝出现的不同位置对其成因进行分析是比较有效的分析方法。
　　3设计方法
　　大跨度预应力混凝土连续刚构桥，虽然看似成熟桥型，但我国过去十几年暴露出来的许多问题，也反映出我们认识上的一些误区。首先是九十年代刮起的优化风，一味追求结构的轻薄，加上施工质量不过关，预应力孔道灌浆普遍不实(在近期的高速路改建中暴露无遗)，导致箱梁中跨跨中下挠、腹板出现斜裂缝等病害的产生。到2004年新桥规修订时，加大了结构的安全储备，方向是正确的。但要防止大跨度预应力箱梁的病害，提高设计的安全度仅仅是一个方面，更重要的是改进施工质量。若设计时一味增大结构尺寸，增加预应力用量，不仅浪费，而且还可能引起新的问题。实践告诉我们，即使是常规的结构在变动设计原则时，也要经过充分的论证和实践，应慎重、渐进地采用，不能矫枉过正。这些与我国目前的设计理论和方法有关。
　　目前有争议的主要问题有:主墩处是否要考虑弯起束;是否需要在箱梁合龙段及中跨靠近悬臂端设置横隔板，以增强梁体整体抗扭转、抗畸变的能力;混凝土徐变究竟发生多少年，等等。
　　目前，工程技术人员在设计箱梁桥时，通常是采用平面计算模型进行正截面极限承载力计算，按简支模型对桥面板进行配筋计算，有些技术力量比较强的设计院可能会采用空间一维梁段有限元分析模型进行空间分析校核，但即使在进行空间分析校核时，也并不考虑截面翘曲应力和畸变引起的腹板竖向应力和顶板水平应力及由竖向荷载引起的腹板竖向应力和顶板水平应力。由于目前的预应力混凝土连续箱梁桥计算软件多数按平面杆系单元编制，属于线性静力平面计算软件。该类软件对可作为平面杆系处理的桥梁进行宏观分析是可行的，但不能分析箱梁桥的宽度和单边荷载及局部受力特性，如剪滞等。设计时，偏心荷载作用下截面的扭转与翘曲影响，通常是通过乘以横向分配增大系数考虑的，分析截面承载力和应力计算时，通过采用有效翼缘宽度考虑剪滞影响。某省公路管理局1999年科研项目“连续箱型梁桥裂缝调查分析及防治措施的研究”指出，箱梁桥的剪滞系数几(同一截面处考虑剪滞效应所求得的正应力与按初等梁理论求得的正应力之比)随宽跨比增大而增大，在制作截面处这种正相关关系体现得尤为显著，且剪滞系数大于其他截面处。
　　实际上，箱梁桥是一个空间的结构受力体系，其结构变形和受力情况十分复杂。虽然有的设计对预应力混凝土连续箱梁桥也按梁格理论考虑空间计算，但空间梁格理论虽然能分析畸变翘曲，但仍然不能完全反映预应力混凝土连续箱梁桥结构受力特性。此外，在计算时，汽车荷载应计入冲击系数，原公路桥梁规范JTJ023-85没有考虑，而在相应的铁路设计和检测规范上则予以了考虑，2004年新公路桥规对此进行了修订。实际上大吨位车引起路面及桥梁结构物冲击作用应予考虑，否则会导致桥梁后期加固修复困难加大。如某市政桥梁，考虑结构优化致使桥梁刚度偏小、挠度偏大，行车后桥面结构容易损坏，现在交通量很大不能封闭维修，有关部门很头痛，市民意见很大，这是教训。因此，对预应力混凝土连续箱梁桥的分析，尤其是裂缝的力学分析(既要进行整体受力分析，也要进行详尽的局部受力分析)，应该考虑采用合适的箱梁桥空间分析理论，通过把箱梁桥作为一个空间受力体系进行分析，以尽可能反映箱梁桥的实际空间受力情况。
　　从理论上讲，分析混凝土薄壁箱梁桥的有效方法应能综合考虑弯曲、扭转、轴向受压及畸变、翘曲、剪力滞、横向局部弯曲引起的二次应力等，然而现行的混凝土箱梁桥设计一直沿用矩形和T形梁的线弹性理论计算应力，然后按极限状态法计算极限承载力、抗裂性。现行的混凝土箱型梁桥设计方法(按桥梁设计规范中的有关条款)基本考虑了弯曲、扭转、剪力滞后(有效翼缘宽度)及横向应力(桥面板计算)，但也有诸多结构待完善的地方，最明显的不足是，采用平面分析和一般的空间分析基本无法充分有效地考虑翘曲、横向弯曲、畸变引起的二次应力、在对二次应力分布特征不清楚的情况下进行配筋设计很可能导致混凝土箱梁开裂。
　　
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