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摘要随着城市建城区规模的急剧扩张以及美观的要求,许多经济、美观的桥梁形式被不断研究、引进和开发。高墩大跨径预应力刚构桥梁由于自身得天独厚的优点,在城市环线上得到广泛的应用。结合实际工程,针对以前修建的几座连续刚构桥存在的一些病害情况,对这些病害作了详细分析,拟通过采取一系列措施,改善结构受力,减少开裂。
关键词连续刚构桥病害;原因;对策
中图分类号U448.215文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0079-01
1高墩大跨连续刚构桥具有的特点
梁墩固结,结构整体性好,抗震性能优,抗扭潜力大,结构受力合理。上下部结构共同承受荷载,减小墩顶负弯矩。墩较柔,能够承受较大变形。结构为多次超静定,收缩徐变、温度变化、预应力、不均匀沉降引起的次内力对结构影响较大。但也存在对地基要求高,墩梁连接处受力复杂,高墩弯矩随墩高的骤然降低而急剧变化,合龙段结构体系转换引起内力重分布等问题。近年来修建的大跨连续刚构桥中,有一些出现了病害,主要表现为:腹板出现斜裂缝,边跨端部上缘出现横向裂缝,中跨跨中下挠过大等。
2已建成连续刚构桥梁产生病害的不同原因采取了不同的对策
1)保证足够的截面尺寸。高跨比是影响主梁受力状态的主要参数,适当增加梁高,可增加主梁刚度,改善主梁应力状态。本次设计七古寺大桥和柳园大桥采用了根部1/15、跨中1/40的高跨比。
2)改善预应力筋的布置。大跨径连续刚构在对称纵向荷载作用下,截面将产生纵向翘曲位移,并且顶底板横向不同位置产生纵向位移差。由于上下翼缘的剪切变形导致对称荷载弯曲引起的法向应力呈非均匀分布状态,即剪力滞后现象。因此,在设置预应力筋时应该考虑法向应力的不均匀性,否则可能造成在应力分布最大处预加力不够,导致混凝土开裂。以前的连续刚构桥均采用了直束的布置方式,即纵向预应力钢束基本上锚固于箱梁顶部而没有下弯,通过适当调整箱梁正应力及竖向应力控制主拉应力的产生。该布束形式成立的前提是竖向预应力必须可靠,然而因设计及施工等诸多原因,竖向预应力往往不能达到设计预期的工作性能。如果采用直束布置形式,同时通过各种措施改善竖向预应力的工作性能,箱梁悬浇过程中将产生非常大的主拉应力,从而在施工过程中产生箱梁开裂。在本次设计中改变了过去全部采用直束的布置方式,使部分钢束下弯到箱梁截面中心附近,以提供较大的预剪力,使得腹板的主拉应力有很大的改善。
3)增加边跨合龙段钢束。非线性温差及活载将在边跨现浇段上缘产生较大的拉应力,很多桥梁由于未考虑足够的非线性温差致使上缘出现较大拉应力而产生箱梁开裂;本次设计针对这一现象,在边跨上缘增加边跨现浇段合龙二期束,以获得合理的应力储备。
4)竖向预应力布置的考虑。竖向预应力因施工相对困难等因素造成其不能正常发挥效用,达不到设计者的预期效果。多数刚构桥均在根部布置2排预应力筋,在跨中布置1排预应力,对于较窄的腹板,由于腹板宽度小,剪应力相对较大,而竖向预应力又减少一半,使得主拉应力进一步加大,特别是在腹板宽度变化处这一问题更加突出。
桥规中规定,考虑到竖向预应力在施工时有困难、质量不能保证,对竖向预应力的效应打了6折。因此,本阶段设计时考虑到竖向预应力可靠性、箱梁抗剪需要,对全桥长度内每侧腹板均布置2排竖向预应力钢筋,同时对竖向预应力的效应打了6折,使得主拉应力不至于由于施工等因素造成实际值与设计值偏差较大而造成箱梁腹板开裂。
5)横、竖向预应力张拉顺序的考虑。在悬臂浇筑的连续刚构桥中,常规施工顺序是浇筑完一个节段的混凝土后,就马上张拉了本节段的横向、竖向预应力筋。但通过计算可知,连续刚构桥悬浇节段的混凝土永存预压力呈锯齿状分布,分布极不均匀,而这种施工过程将使某些截面无足够的竖向预应力而造成实际产生的主拉应力远大于设计值。改善永存预压力分布状态的最好方法是“滞后张拉”,即张拉的预应力筋离节段端部或合龙段有足够的一段距离。对大多数情况而言,滞后张拉长度越长,偏差越小。为了保证混凝土上的永存预压力分布较为均匀,与标准值的偏差较小,本桥将采用“滞后张拉”的施工方案。由于本桥的纵向预应力索在每个节段都下弯,可以保证在施工过程中,“滞后张拉”的区段上的主拉应力较小。
6)箱梁温度应力及混凝土收缩徐变的考虑。对于多次超静定的连续刚构桥墩梁固结,不论是上部结构梁体整体温差、日照温差还是桥墩的温差,均会对全桥的内力分布产生重要影响,因此,合理的温度取值对结构的安全性非常重要。项目影响区为北亚热带向暖温带过渡区,属暖温带大陆性季风型气候。由于受山脉走向和海拔高度影响,季风作用较为明显,春旱多风,夏热多雨,秋高气爽,冬寒少雪,四季分明,降雨集中。七古寺大桥和柳园大桥所在区为中山温凉区气候,无霜期短,年均气温12℃以下,两桥设计时体系温差按升温、降温20℃考虑。
箱梁非线性温差对箱梁应力影响很大,很多桥梁由于非线性温差取值偏小而引起应力储备不足,导致箱梁开裂。本次设计依据新桥规,非线性升温最大为14℃,非线性降温最大为-7℃。
收缩徐变对桥梁结构的影响很大,如果以桥梁收缩徐变完成后的组合应力来控制设计,将造成在桥梁修建或建成后某一时段内一些截面应力值超过预期值而出现病害。本次设计采用应力包络方式进行验算,将各个阶段及其组合最大应力值均控制在合理的范围内,包含了整个施工期、运营期的应力极值。同时本次设计在应力验算时均考虑有效翼缘宽度的折减问题。
7)结构形式的考虑。墩梁固结的连续结构,它利用高墩的柔度来适应结构由预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移。但墩身内力与其顺桥向抗推刚度密切相关,抗推刚度小的桥墩能有效地降低其内力,但随着抗推刚度的加大,在温度、混凝土收缩徐变等荷载的作用下,墩顶与主梁一道产生很大的顺桥向水平和转角位移,墩身剪力和弯矩将迅速增大,同时产生不可忽视的附加弯矩,导致箱梁与桥墩开裂。
8)桥梁施工控制的考虑。、连续刚构的施工方案多采用自架设体系的悬臂施工法,施工及成桥各阶段的受力体系及所受荷载等都在不停变化,桥梁的内力状态和变形都比较复杂,加上实际施工的各种因素的干扰,可能导致合龙困难,使成桥线形和内力状态偏离设计要求,给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不利影响。在下一阶段设计中应加强施工方案的研究,确保成桥外形,改善桥梁受力。
3结语
随着高速公路的发展,高墩大跨连续刚构桥正越来越受到桥梁设计者的重视,同时其所产生的问题也逐渐受到更为广泛的关注。以上所述,仅为在本次初步设计过程中针对连续刚构桥的问题采取的具体措施和相应考虑,在下一阶段设计过程中将加强对大跨高墩刚构桥及刚构一连续体系的研究与开发,设计、监理、施工三方应通力合作,加强施工监控,优化施工工艺,以改善桥梁受力体系,减少开裂,确保桥梁的使用寿命。
参考文献
[1]褚立军,刘庆潭.紫洞大桥悬臂施工监控技术.广东交通职业技术学院学报,2009,(02):17-19,61.
[2]刘鑫.温度效应在高墩大跨连续刚构桥施工过程中的影响.镇江高专学报,2006,(02):64-67.
[3]周水兴,田维锋,张敏.“梁式桥静力体系划分”教学案例分析.高等建筑教育,2009,(06):43-45.
作者简介
张宇(1980—),男,河南南阳人,助理工程师,本科,主要从事公路工程管理工作。
胥娟丽(1979—),女,河南鹤壁人,助理工程师,本科,主要从事公路工程设计及管理工作。
关键词连续刚构桥病害;原因;对策
中图分类号U448.215文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0079-01
1高墩大跨连续刚构桥具有的特点
梁墩固结,结构整体性好,抗震性能优,抗扭潜力大,结构受力合理。上下部结构共同承受荷载,减小墩顶负弯矩。墩较柔,能够承受较大变形。结构为多次超静定,收缩徐变、温度变化、预应力、不均匀沉降引起的次内力对结构影响较大。但也存在对地基要求高,墩梁连接处受力复杂,高墩弯矩随墩高的骤然降低而急剧变化,合龙段结构体系转换引起内力重分布等问题。近年来修建的大跨连续刚构桥中,有一些出现了病害,主要表现为:腹板出现斜裂缝,边跨端部上缘出现横向裂缝,中跨跨中下挠过大等。
2已建成连续刚构桥梁产生病害的不同原因采取了不同的对策
1)保证足够的截面尺寸。高跨比是影响主梁受力状态的主要参数,适当增加梁高,可增加主梁刚度,改善主梁应力状态。本次设计七古寺大桥和柳园大桥采用了根部1/15、跨中1/40的高跨比。
2)改善预应力筋的布置。大跨径连续刚构在对称纵向荷载作用下,截面将产生纵向翘曲位移,并且顶底板横向不同位置产生纵向位移差。由于上下翼缘的剪切变形导致对称荷载弯曲引起的法向应力呈非均匀分布状态,即剪力滞后现象。因此,在设置预应力筋时应该考虑法向应力的不均匀性,否则可能造成在应力分布最大处预加力不够,导致混凝土开裂。以前的连续刚构桥均采用了直束的布置方式,即纵向预应力钢束基本上锚固于箱梁顶部而没有下弯,通过适当调整箱梁正应力及竖向应力控制主拉应力的产生。该布束形式成立的前提是竖向预应力必须可靠,然而因设计及施工等诸多原因,竖向预应力往往不能达到设计预期的工作性能。如果采用直束布置形式,同时通过各种措施改善竖向预应力的工作性能,箱梁悬浇过程中将产生非常大的主拉应力,从而在施工过程中产生箱梁开裂。在本次设计中改变了过去全部采用直束的布置方式,使部分钢束下弯到箱梁截面中心附近,以提供较大的预剪力,使得腹板的主拉应力有很大的改善。
3)增加边跨合龙段钢束。非线性温差及活载将在边跨现浇段上缘产生较大的拉应力,很多桥梁由于未考虑足够的非线性温差致使上缘出现较大拉应力而产生箱梁开裂;本次设计针对这一现象,在边跨上缘增加边跨现浇段合龙二期束,以获得合理的应力储备。
4)竖向预应力布置的考虑。竖向预应力因施工相对困难等因素造成其不能正常发挥效用,达不到设计者的预期效果。多数刚构桥均在根部布置2排预应力筋,在跨中布置1排预应力,对于较窄的腹板,由于腹板宽度小,剪应力相对较大,而竖向预应力又减少一半,使得主拉应力进一步加大,特别是在腹板宽度变化处这一问题更加突出。
桥规中规定,考虑到竖向预应力在施工时有困难、质量不能保证,对竖向预应力的效应打了6折。因此,本阶段设计时考虑到竖向预应力可靠性、箱梁抗剪需要,对全桥长度内每侧腹板均布置2排竖向预应力钢筋,同时对竖向预应力的效应打了6折,使得主拉应力不至于由于施工等因素造成实际值与设计值偏差较大而造成箱梁腹板开裂。
5)横、竖向预应力张拉顺序的考虑。在悬臂浇筑的连续刚构桥中,常规施工顺序是浇筑完一个节段的混凝土后,就马上张拉了本节段的横向、竖向预应力筋。但通过计算可知,连续刚构桥悬浇节段的混凝土永存预压力呈锯齿状分布,分布极不均匀,而这种施工过程将使某些截面无足够的竖向预应力而造成实际产生的主拉应力远大于设计值。改善永存预压力分布状态的最好方法是“滞后张拉”,即张拉的预应力筋离节段端部或合龙段有足够的一段距离。对大多数情况而言,滞后张拉长度越长,偏差越小。为了保证混凝土上的永存预压力分布较为均匀,与标准值的偏差较小,本桥将采用“滞后张拉”的施工方案。由于本桥的纵向预应力索在每个节段都下弯,可以保证在施工过程中,“滞后张拉”的区段上的主拉应力较小。
6)箱梁温度应力及混凝土收缩徐变的考虑。对于多次超静定的连续刚构桥墩梁固结,不论是上部结构梁体整体温差、日照温差还是桥墩的温差,均会对全桥的内力分布产生重要影响,因此,合理的温度取值对结构的安全性非常重要。项目影响区为北亚热带向暖温带过渡区,属暖温带大陆性季风型气候。由于受山脉走向和海拔高度影响,季风作用较为明显,春旱多风,夏热多雨,秋高气爽,冬寒少雪,四季分明,降雨集中。七古寺大桥和柳园大桥所在区为中山温凉区气候,无霜期短,年均气温12℃以下,两桥设计时体系温差按升温、降温20℃考虑。
箱梁非线性温差对箱梁应力影响很大,很多桥梁由于非线性温差取值偏小而引起应力储备不足,导致箱梁开裂。本次设计依据新桥规,非线性升温最大为14℃,非线性降温最大为-7℃。
收缩徐变对桥梁结构的影响很大,如果以桥梁收缩徐变完成后的组合应力来控制设计,将造成在桥梁修建或建成后某一时段内一些截面应力值超过预期值而出现病害。本次设计采用应力包络方式进行验算,将各个阶段及其组合最大应力值均控制在合理的范围内,包含了整个施工期、运营期的应力极值。同时本次设计在应力验算时均考虑有效翼缘宽度的折减问题。
7)结构形式的考虑。墩梁固结的连续结构,它利用高墩的柔度来适应结构由预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移。但墩身内力与其顺桥向抗推刚度密切相关,抗推刚度小的桥墩能有效地降低其内力,但随着抗推刚度的加大,在温度、混凝土收缩徐变等荷载的作用下,墩顶与主梁一道产生很大的顺桥向水平和转角位移,墩身剪力和弯矩将迅速增大,同时产生不可忽视的附加弯矩,导致箱梁与桥墩开裂。
8)桥梁施工控制的考虑。、连续刚构的施工方案多采用自架设体系的悬臂施工法,施工及成桥各阶段的受力体系及所受荷载等都在不停变化,桥梁的内力状态和变形都比较复杂,加上实际施工的各种因素的干扰,可能导致合龙困难,使成桥线形和内力状态偏离设计要求,给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不利影响。在下一阶段设计中应加强施工方案的研究,确保成桥外形,改善桥梁受力。
3结语
随着高速公路的发展,高墩大跨连续刚构桥正越来越受到桥梁设计者的重视,同时其所产生的问题也逐渐受到更为广泛的关注。以上所述,仅为在本次初步设计过程中针对连续刚构桥的问题采取的具体措施和相应考虑,在下一阶段设计过程中将加强对大跨高墩刚构桥及刚构一连续体系的研究与开发,设计、监理、施工三方应通力合作,加强施工监控,优化施工工艺,以改善桥梁受力体系,减少开裂,确保桥梁的使用寿命。
参考文献
[1]褚立军,刘庆潭.紫洞大桥悬臂施工监控技术.广东交通职业技术学院学报,2009,(02):17-19,61.
[2]刘鑫.温度效应在高墩大跨连续刚构桥施工过程中的影响.镇江高专学报,2006,(02):64-67.
[3]周水兴,田维锋,张敏.“梁式桥静力体系划分”教学案例分析.高等建筑教育,2009,(06):43-45.
作者简介
张宇(1980—),男,河南南阳人,助理工程师,本科,主要从事公路工程管理工作。
胥娟丽(1979—),女,河南鹤壁人,助理工程师,本科,主要从事公路工程设计及管理工作。