大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計研究
摘要:本文對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋進行結(jié)構(gòu)分析，其次，本文從設(shè)計理論、預(yù)應(yīng)力筋配置、方面對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在使用中出現(xiàn)的裂縫等問題進行了討論。
關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)剛構(gòu)；裂縫
隨著國際經(jīng)濟帶動交通事業(yè)的發(fā)展，交通量日益增大，橋梁事業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的考驗。近年來，我國修建了很多大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，也暴露出一些問題，其中裂縫等問題尤為突出，引起了工程界的普遍關(guān)注。
1預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)特征
連續(xù)剛構(gòu)橋是預(yù)應(yīng)力混凝土大跨梁式橋的主要橋型之一，它綜合了連續(xù)梁橋和T形剛構(gòu)橋的受力特點，將主梁做成連續(xù)梁體與薄壁橋墩固結(jié)而成。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是將連續(xù)的梁體與橋墩固結(jié)而形成的，節(jié)省了大型支座的昂貴費用，其梁體受力接近于連續(xù)梁，利用薄壁橋墩的柔度適應(yīng)由預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變和溫度變化引起的縱向位移，減少了墩及基礎(chǔ)的工程量并改善了結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的受力性能。
對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其特點是:梁保持連續(xù)，梁墩固結(jié)。由箱型截面預(yù)應(yīng)力混凝土主梁、雙薄壁鋼筋混凝土墩柱和大型整體式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等組成。在構(gòu)造上分為跨內(nèi)梁部設(shè)鉸和梁部連續(xù)兩種類型。目前的連續(xù)剛構(gòu)體系基本采用后者。連續(xù)剛構(gòu)體系也可稱為具有墩梁固結(jié)的連續(xù)梁橋，墩梁固結(jié)有利于懸臂施工，且可以減少大型支座，通常在需要布置大跨、高墩處采用。連續(xù)剛構(gòu)橋的主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面:從受力方面，上部結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)出連續(xù)梁的特點，但必須計入由于橋墩受力及混凝土收縮、徐變和溫度應(yīng)力引起的變形對上部結(jié)構(gòu)的影響。因橋墩具有一定的柔度，與T型剛構(gòu)相比，其墩底所受彎矩很小，而在墩梁結(jié)合處仍有剛架受力特點。
從構(gòu)造方面，主梁通常采用變截面箱型梁，橋墩多采用矩形和箱型截面的柱式墩或雙薄壁墩，墩梁固結(jié)。橋梁兩端的伸縮裝置適應(yīng)結(jié)構(gòu)縱向位移的需要，同時橋臺處設(shè)置控制水平位移的擋塊，用以保證結(jié)構(gòu)的水平穩(wěn)定性。
從結(jié)構(gòu)適應(yīng)位移的角度看，連續(xù)剛構(gòu)體系利用高墩的柔度來適應(yīng)結(jié)構(gòu)由預(yù)加力、混凝土收縮、徐變和溫度變化等引起的縱向位移，即把高墩視為一種可擺動的支撐體系。邊跨橋墩因墩高較矮，相對剛度增大，當(dāng)其不能起到擺動作用時，需在橋墩頂部或底部設(shè)鉸，以適應(yīng)縱向位移。
2裂縫問題
近年來在一些大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)的裂縫問題主要表現(xiàn)為以下幾種形式:
(1)、主箱梁腹板出現(xiàn)斜裂縫，主要是邊孔近現(xiàn)澆段和中孔1/4～3/SL段出現(xiàn)較多；
(2)、主箱梁底板跨中部分張拉錨固后出現(xiàn)縱向裂縫；
(3)、箱梁具有較長懸臂翼緣板在頂板懸臂根部出現(xiàn)縱向裂縫，寬箱梁在跨中頂板出現(xiàn)縱向裂縫；
(4)、箱梁橋橫隔板孔洞周圍放射型裂縫和孔洞之間的豎向裂縫。
按裂縫產(chǎn)生的外因主要是由：荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫、基礎(chǔ)變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫造成的。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)裂縫生成的原因，涉及設(shè)計計算、施工工藝、養(yǎng)護管理、后期使用、材料質(zhì)量、氣候環(huán)境等各個方面。因此要細(xì)致地分析每一因素對箱梁橋結(jié)構(gòu)裂縫的影響程度是很困難的，多數(shù)情況下也是沒有必要的。通過對結(jié)構(gòu)裂縫形式和狀態(tài)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生位置有一定的規(guī)律性，也就可以推斷導(dǎo)致該類結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的影響因素，因此通過結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的不同位置對其成因進行分析是比較有效的分析方法。
3設(shè)計方法
大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，雖然看似成熟橋型，但我國過去十幾年暴露出來的許多問題，也反映出我們認(rèn)識上的一些誤區(qū)。首先是九十年代刮起的優(yōu)化風(fēng)，一味追求結(jié)構(gòu)的輕薄，加上施工質(zhì)量不過關(guān)，預(yù)應(yīng)力孔道灌漿普遍不實(在近期的高速路改建中暴露無遺)，導(dǎo)致箱梁中跨跨中下?lián)稀⒏拱宄霈F(xiàn)斜裂縫等病害的產(chǎn)生。到2004年新橋規(guī)修訂時，加大了結(jié)構(gòu)的安全儲備，方向是正確的。但要防止大跨度預(yù)應(yīng)力箱梁的病害，提高設(shè)計的安全度僅僅是一個方面，更重要的是改進施工質(zhì)量。若設(shè)計時一味增大結(jié)構(gòu)尺寸，增加預(yù)應(yīng)力用量，不僅浪費，而且還可能引起新的問題。實踐告訴我們，即使是常規(guī)的結(jié)構(gòu)在變動設(shè)計原則時，也要經(jīng)過充分的論證和實踐，應(yīng)慎重、漸進地采用，不能矯枉過正。這些與我國目前的設(shè)計理論和方法有關(guān)。
目前有爭議的主要問題有:主墩處是否要考慮彎起束;是否需要在箱梁合龍段及中跨靠近懸臂端設(shè)置橫隔板，以增強梁體整體抗扭轉(zhuǎn)、抗畸變的能力;混凝土徐變究竟發(fā)生多少年，等等。
目前，工程技術(shù)人員在設(shè)計箱梁橋時，通常是采用平面計算模型進行正截面極限承載力計算，按簡支模型對橋面板進行配筋計算，有些技術(shù)力量比較強的設(shè)計院可能會采用空間一維梁段有限元分析模型進行空間分析校核，但即使在進行空間分析校核時，也并不考慮截面翹曲應(yīng)力和畸變引起的腹板豎向應(yīng)力和頂板水平應(yīng)力及由豎向荷載引起的腹板豎向應(yīng)力和頂板水平應(yīng)力。由于目前的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋計算軟件多數(shù)按平面桿系單元編制，屬于線性靜力平面計算軟件。該類軟件對可作為平面桿系處理的橋梁進行宏觀分析是可行的，但不能分析箱梁橋的寬度和單邊荷載及局部受力特性，如剪滯等。設(shè)計時，偏心荷載作用下截面的扭轉(zhuǎn)與翹曲影響，通常是通過乘以橫向分配增大系數(shù)考慮的，分析截面承載力和應(yīng)力計算時，通過采用有效翼緣寬度考慮剪滯影響。某省公路管理局1999年科研項目“連續(xù)箱型梁橋裂縫調(diào)查分析及防治措施的研究”指出，箱梁橋的剪滯系數(shù)幾(同一截面處考慮剪滯效應(yīng)所求得的正應(yīng)力與按初等梁理論求得的正應(yīng)力之比)隨寬跨比增大而增大，在制作截面處這種正相關(guān)關(guān)系體現(xiàn)得尤為顯著，且剪滯系數(shù)大于其他截面處。
實際上，箱梁橋是一個空間的結(jié)構(gòu)受力體系，其結(jié)構(gòu)變形和受力情況十分復(fù)雜。雖然有的設(shè)計對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋也按梁格理論考慮空間計算，但空間梁格理論雖然能分析畸變翹曲，但仍然不能完全反映預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)受力特性。此外，在計算時，汽車荷載應(yīng)計入沖擊系數(shù)，原公路橋梁規(guī)范JTJ023-85沒有考慮，而在相應(yīng)的鐵路設(shè)計和檢測規(guī)范上則予以了考慮，2004年新公路橋規(guī)對此進行了修訂。實際上大噸位車引起路面及橋梁結(jié)構(gòu)物沖擊作用應(yīng)予考慮，否則會導(dǎo)致橋梁后期加固修復(fù)困難加大。如某市政橋梁，考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化致使橋梁剛度偏小、撓度偏大，行車后橋面結(jié)構(gòu)容易損壞，現(xiàn)在交通量很大不能封閉維修，有關(guān)部門很頭痛，市民意見很大，這是教訓(xùn)。因此，對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的分析，尤其是裂縫的力學(xué)分析(既要進行整體受力分析，也要進行詳盡的局部受力分析)，應(yīng)該考慮采用合適的箱梁橋空間分析理論，通過把箱梁橋作為一個空間受力體系進行分析，以盡可能反映箱梁橋的實際空間受力情況。
從理論上講，分析混凝土薄壁箱梁橋的有效方法應(yīng)能綜合考慮彎曲、扭轉(zhuǎn)、軸向受壓及畸變、翹曲、剪力滯、橫向局部彎曲引起的二次應(yīng)力等，然而現(xiàn)行的混凝土箱梁橋設(shè)計一直沿用矩形和T形梁的線彈性理論計算應(yīng)力，然后按極限狀態(tài)法計算極限承載力、抗裂性�，F(xiàn)行的混凝土箱型梁橋設(shè)計方法(按橋梁設(shè)計規(guī)范中的有關(guān)條款)基本考慮了彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪力滯后(有效翼緣寬度)及橫向應(yīng)力(橋面板計算)，但也有諸多結(jié)構(gòu)待完善的地方，最明顯的不足是，采用平面分析和一般的空間分析基本無法充分有效地考慮翹曲、橫向彎曲、畸變引起的二次應(yīng)力、在對二次應(yīng)力分布特征不清楚的情況下進行配筋設(shè)計很可能導(dǎo)致混凝土箱梁開裂�！ �
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