第四章连续刚构桥设计中的几个关键问题

昆明理工大学硕士研究生学位论文47第四章连续刚构桥设计中的几个重要问题4.1前言近年来，我国修建了不少大跨连续刚构桥，积累了许多设计施工经验。预应力混凝土连续刚构桥以其施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势在近年来得到了迅速崛起，主跨在200m～300m(甚至300m以上)的跨度时具有极强的竞争力。同时，连续刚构桥向长大跨方向发展，对设计施工人员提出了更高的要求，设计水平的高低直接影响着其发展的快慢。所以对连续刚构桥的设计技术问题进行研究和探讨，很有必要。本文着重对连续刚构桥设计中的若干关键技术问题加以讨论。4.2上部结构整桥或上下行独立桥方案比选在大保线金厂岭澜沧江大桥施工中，悬臂灌筑混凝土结构最大重量maxW=320t，施工挂篮重160t(含施工荷载及模板)，居同类桥梁混凝土块件最大重量之首，给挂篮施工带来了极大的不便，增加了施工的难度。究其原因在于，桥式的选用中采用了整桥，单室箱截面，导致了挂篮重量达到如此之大。整桥形式固然有利于桥梁的整体稳定，且采用的挂篮数较少，但实际施工表明，该种选型并不见的理想。为此，本文认为，采用整桥亦或上下行独立桥值得思考，在设计构思中应引起足够的注意。以该桥为例，采用整桥，全宽m5.22，采用单室箱截面有困难(可能不得不采用双室箱截面，边跨需设置三个支座，支座顶面很难保证相同高程，受力不很明显)，该桥采用单箱室截面，使得挂篮重量急剧增大，挂篮数量虽少，但承重大，节段短，施工慢，模板也较复杂。如采用上下行独立桥，每桥宽m5.11，可以采用单室箱断面，挂篮的数量虽增加一倍，但挂篮的承重量相对较小，可以将悬臂浇筑施工节段加长，大大缩短悬臂施工周期，这对于大跨度连续刚构桥的顺利完成显得尤为重要。当采用上下行独立桥式时，为了提高悬臂施工时悬臂梁的横向刚度，如抗风能力，在设计上，可以将上下行桥的两个主墩承台用细梁连成整体，在墩顶处将上下行桥的零号块用箱梁外横隔板连成整体。这样，大大提高了抗风能力，减小了悬臂施工的振幅，为施工创造了有利的条件。承台连成整体后，墩的横向抗弯刚度及抗扭刚度均有较大的提高。以墩身为例，表4.2.1列出承台连接与不连接两种情况下的刚度计算式：昆明理工大学硕士研究生学位论文48表4.2.1承台形式横向抗弯刚度抗扭刚度连接2NYSxLGIXJYJPyx22不连接xSLGIXJPy2表中：xS——墩身的横向抗弯刚度，LEISxx4；xI、yI——墩身横向、纵向惯性矩；xJ、yJ——墩身横向、纵向抗推刚度；L——墩身高度；N——墩身轴向力；E——弹性模量；G——剪切模量；PI——墩身的抗扭刚度，SAIP04；0A——轴线所包的面积；——壁厚；S——轴线周长。由表这4.2.1可见，承台连接后，抗弯、抗扭刚度的计算式多出一项，该项的值比较大，尤其横向抗弯刚度，多的一项2NY远大于原有一项。横向抗弯、抗扭刚度的提高，对增强抗风能力是十分有利的。同样，承台连接后基础的横向抗弯刚度及抗扭刚度也都有很大的提高。4.3连续刚构群桩基础简化和桩基处理对于连续刚构桥，因其上部空心板梁与下部结构固结于一体，很难将桥梁上部和下部分开进行分析，只有将上下部结构看成一体进行结构分析，以考虑上、下部结构的相互作用。在建立全桥结构分析模型时，如何能更好地模拟下部结构的作用，是全桥结构计算模型简化的关键。由于桩基顶的变位大小对刚构墩身的柔度有很大的影响，进而影响整体结构的内力分配，故考虑桩—土结构相互作用的分析方法进行结构分析对于墩身内力计算是非常必要的。4.3.1连续刚构群桩基础的简化模拟[7]大跨径连续刚构多采用群桩基础如图4.3.1a)所示，此结构的边界条件非常复杂，在线性分析程序中准确描述十分困难，因此应进行简化模拟。常用的方法是将群桩结构按照整体刚度相等的原理模拟成双柱式基础，双柱之间采用刚性杆件将柱顶连接，形状如“”形结构如图4.3.1b)所示。在原结构和“”形结构上分别作用单位荷载N、Q、M。昆明理工大学硕士研究生学位论文49单位荷载分别作用于等效结构时，采用力法原理可求得特征位移表达式如下(限于篇幅，推导详见文献[7])：N=EAH2Q=KEIEIH121243Q=KH2M=KH2M=KH224EALEIK将单位荷载分别作用于原结构，采用桩基础计算方法可得N、Q、Q、M、M的值解。式中：N、N——单位轴力作用在等效结构和原结构时产生的竖向位移；Q、Q——单位水平力作用在等效结构和原结构时产生的水平位移；Q、Q——单位水平力作用在等效结构和原结构时产生的转角；M、M——单位弯矩作用在等效结构和原结构时产生的水平位移；M、M——单位弯矩作用在等效结构和原结构时产生的转角。由位移互等定理：Q=M由N=N、Q=Q、Q=Q、M=M，可求得：NMQNMQ图4.3.1群桩基础的简化模拟a)b)昆明理工大学硕士研究生学位论文50MMH2NEHA2QQEHEHI12243AIEHLQ42下白石大桥为四跨连续刚构，基础变位对全桥的温度和收缩徐变的内力有较大的影响，在进行结构计算时，按位移等效原理，采用该种简化方法，将基础模拟为门式框架参与全桥的整体受力计算分析，取得较好的效果[39]。桩基内力计算，可采用《公路桥涵地基与基础设计规范(85024JTJ)》所述m法计算，m法认为桩侧土为Winkler离散线性弹簧，基于如下的基本假定：1)将土看作为弹性变形介质，其地基系数C在地面(或冲刷线)处为零，并随深度成正比增长，即mzC；2)基础与土之间的粘着力和摩阻力均不予考虑；3)在水平力和竖直力作用下，任何深度处土的压缩性均用地基系数表示，即zzxCx(zx为水平位移)；4)当h5.2时，假设基础刚度为无限大，按刚性基础计算；当5.2h时，按弹性基础计算。下部结构基桩的处理，在很多文献都有讨论，这里不再赘述。根据连续刚构桥的受力特点，需要完全采用墩身的变形来适应桥梁在恒载、活载和温度等荷载作用下发生的纵向位移，因此对墩身的抗弯要求较高[39]。连续刚构桩基的设计应力求考虑增加墩身抗弯刚度，减小抗推刚度。4.4梁段纵向预应力配索讨论4.4.1纵向预应力配索的发展[6]在我国第一座预应力混凝土连续刚构桥广东洛溪大桥(65+125+180+110m)以前，国内连续刚构和连续梁的配索方案完全是根据钢筋混凝土结构的配筋原理设置的，没有考虑到预应力混凝土结构与混凝土结构的巨大差异。对连续梁而言，采用了顶板索、底板索、下弯索和弯起索，对连续刚构又增加了连续索。洛溪大桥设计时，考虑到上述配索方案的缺陷，取消了弯起索，而下弯索只象征性地设置了极少部分。经过洛溪大桥的实践并经认真的分析研究之后，部分专家提出了只采用顶板昆明理工大学硕士研究生学位论文51索、底板索，或仅在边跨的端部由于受力的特殊要求设置了部分弯起索配索方案。随后将这一配索方案应用到跨径70、80、106、120、140、190、206、270m等不同跨径的连续刚构桥的设计中，均获得了成功，从而使这一配索方案迅速在国内全面的推广和应用[11]。此种配索方案的显著的优点是：1)腹板长度的90%内均无纵向预应力管道，从而给腹板混凝土的浇筑带来了极大的方便；2)由于钢绞线设置在结构的最大受力部位，充分发挥了钢绞线的作用，从而可节约预应力钢材20%-30%，带来了显著的经济效益。4.4.2新型配索方式的理论依据一、预应力连续梁和连续刚构由于设置了强大的纵向预应力和竖向预应力，其竖直截面的抗剪能力由三部分组成，即：yx4.02.0式中：——混凝土本身的抗剪能力；x——纵向预应力产生的正应力；y——竖向预应力产生的正应力。对任何一座预应力混凝土梁式桥，仅计和x2.0就可完全满足竖直截面的抗剪要求。预应力混凝土连续梁和连续刚构在考虑最不利荷载组合后，如果按全预应力设计，则为小偏心受压构件。从桥梁结构整体而言，主梁是一个以受弯为主的梁式结构，加上强大的纵向预应力之后，主梁实际成为一个小偏心受压构件而不是受弯构件，在此情况下，仅考虑纵向预应力在竖直截面产生摩阻力就可满足竖直截面的抗剪要求，因此没有必要设置下弯索。由于没有考虑到预应力结构本身的受力特点，使得下弯索的设置既不科学又带来极大的浪费。二、弯起索的设置是为了考虑腹板的主拉应力，由于弯起索在顺桥方向的间距为一个梁高，而且预应力的扩散角度为26(按德国规范)。如图4.4.1a)可以发现，预应力按26扩散角计算，相邻弯起索之间出现的弯起索预应力空白区如阴影部分所示，其高度Hh39.0,这就是说弯起索对控制腹板高度0.39H范围内的主拉应力不起作用[6]。实际上，腹板的主拉应力完全可以通过竖向预应力和纵向预应力两者组合来a)弯起索b)竖向预应力图4.4.1预应力空白区示意图昆明理工大学硕士研究生学位论文52控制。由于竖向预应力按26扩散传递，则由图4.4.1b)知其预应力空白区(图中阴影部分所示)，高度仅为0.51m-0.72m，而此高度一般均在顶板承托范围内，不是腹板主拉应力的控制区。根据主拉应力的计算公式：22122yxyx(4.4.1)式中：1——计算点主拉应力；x——由纵向预应力产生的混凝土正应力；y——由竖向预应力产生的混凝土竖向压应力；——计算点剪应力。若令1=0，则有：2222yxyx简化得：2yx(01)(1)同理可得：01时yx2(2)01时yx2(3)因此，可将yx的乘积，与2相比，作为是否出现主拉应力的判别条件。当满足式(2)时，腹板只出现主压应力而无主拉应力；当满足式(1)时，主拉应力为0；当满足式(3)时，有主拉应力，但其值的大小可通过调整yx的乘积来主动控制，达到预期值。于是，可以取消下弯索、弯起索，通过适当调整顶、底板索和竖向预应力筋，将yx的乘积进行调整，从而将腹板的主拉应力控制到预期的值。这样不仅减少了预应力钢材用量，而且使腹板的主拉应力得到了全面的有效控制。该方法已经在我国虎门大桥辅航道桥(主跨270m连续刚构桥)的纵向预应力配索实践中得到了验证，取得较好的经济和社会效益。下白石大桥(145+2m145260连续刚构)在考虑竖向预应力参与作用后，在强大的竖向预应力产生的轴向力作用下，结构转化为小偏心受压构件，主梁腹板则完全取消了主拉应力，各主要控制梁段最小主应力均为压应力，基本可保持全截面受压，应力结果较好，其作用亦相当突出[39]。连续索实际是顶、底板索加弯起索的综合，同理，也可以取消。昆明理工大学硕士研究生学位论文534.4.3取消下弯索、弯起索后，配索应注意的几个问题：1)对分段现浇并分段施加预应力的连续刚构，其结构实际产生的主拉应力要比计算的主拉应力偏大。2)应充分考虑边跨端部受力的特殊性，配索时该部位应布设必要的弯起索。3)应充分考虑竖向预应力由于顶锚的人工操作所带来的预应力损失(竖向预应力采用高强精扎螺纹钢筋，其张拉锚固采用人工拧螺母完成)，因此在设计时要考虑一定数量的储备。下白石大桥在计算中假定：当梁高大于m5时，有效预应力计为%85；当梁高小于m5时，有效预应力计%75[39]。4.5连续刚构桥上部结构的轻型化4.5.1上部结构轻型化的重要意义在桥梁建设发展的历史长河中，随着科学技术的进步，主要承重结构的截面不断趋于减小，自重趋于减轻。因此，在一定意义上可以说，桥梁建设的历史，就是一部不断轻型化的历史[6]。对于大跨径预应力混凝土梁式桥，其上部结构的轻型化尤其具有特别重要的意义：1)节省材料，减小恒载弯矩。混凝土梁式桥跨径越大，恒载弯矩所占的比例越大。因此，上部构造的轻型化可以节省材料，减小恒载和自重弯矩的比重；2)减小下部构造与基础的承载要求。上部构造的减轻，相应地降低对下部构造与基础的要求，随着箱梁底板宽度的减