大跨桥中梁持续下挠.doc
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1、2005西宁中外桥梁病害诊治大会论文大跨梁桥持续下挠成因及其控制的结构措施1、问题的提出 2、大跨梁桥持续下挠的成因 3、恒载“零弯矩”设计理念4、桥梁悬臂施工5、连续刚构合拢6、恒载超重的恢复 郭圣栋(江西省交通设计院) 熊利华(中交四航设计院) 张 璟 上官兴 (华东交通大学土木建筑学院)大跨梁桥持续下挠成因及其控制的结构措施 郭圣栋1 熊利华2 张 璟3 上官兴3(1江西省交通设计院 2中交四航设计院 广州; 南昌;3.华东交通大学 南昌)摘要:本文从总结国内大跨梁桥持续下挠实际出发,在结构上提出“恒载零弯矩”设计理念,为持续下挠的有效控制开拓一条新途径。1、问题的提出自二十世纪五十年代
2、在德国莱茵河上首创悬浇施工法以来,悬臂施工法预应力混凝土梁桥已成为许多国家广泛采用的桥型之一。但是近十多年来,我国不少的大跨预应力砼梁桥在通车5-8年后出现持续下挠和跨中底板开裂的现象。其中挠度最大者达32cm。特别是设计和施工质量甚好的270m虎门大桥辅航道桥,建成7年跨中下挠也达26cm,并发现了裂缝,震撼了桥梁界。国内一些大跨梁桥的持续下挠的不完全统计,其年速率如下:L100160m f徐 1 (cm/年)L160220m f徐12(cm/年)L220270m f徐23(cm/年)跨中持续下挠是一个十分复杂的问题,影响因素也特别多。国内工程界已从不同的领域采用过不同的方法进行过不少研究,
3、但都奏效不大。当前桥梁建设大好形式迫切需要一种新思维的产生。要用与时俱进观点对桥梁设计所存在的问题进行反思,对传统方法要勇于破除迷信。本文仅仅从结构原理出发来探索持续下挠的成因及其控制措施。2. 大跨梁桥持续下挠的成因2.1 结构原因大跨梁桥最不利状态弯矩M0发生在最大悬臂施工状态,跨中出现较大的挠度f。其基本原因在于箱梁上缘预应力设计不足。因为它选择成桥后运营状态(连续梁),通过最不利荷载组合的内力包络图,按保留一定压应力储备并满足强度要求的原则来确定预应力弯矩MT大小。然而大跨梁桥实际施工图式为双悬臂图式,最大悬臂弯矩M0与上缘预应力弯矩MT之间存在很大的弯矩差MeM0MT,由此在双悬臂梁
4、施工中必然会产生跨中下挠f0。常规用预拱度来抵消f0,但在合拢后连续梁中Me并没有消除,因此还会继续发生持续下挠f1。如图1所示,某海湾一座设计的270m跨径的连续刚构桥,如按常规方法设计,仅箱梁自重合拢前双悬臂状态下挠f024(cm),合拢体系转换后f16(cm),两者之和挠度f30(cm),高达跨径L/900之巨。可见在特大跨径中按常规方法设计上缘预应力,不考虑悬臂施工的实际情况将带来多么严重后果。024024图1 施工中不平衡弯矩Me产生挠度2.2 预拱度预拱度是目前最常用的消除初始挠度(f0+ f1)下挠的方法。即将梁的下挠值f反方向加在箱梁上,使梁面有一个抬高量,这个预抬高称“安装标
5、高”。除施工所产生变形另外计算外,桥梁结构的预拱度有:自重、桥面和活载和运营若干年后的砼徐变下挠。自重预拱度f0是指在箱梁在悬臂施工中预先设置一向上的拱度 (计算挠度的反向值)。f1是箱梁自重在连续梁上的反挠度,桥面系重量在连续梁中挠度f2是二期恒载。活载预拱度fP则是考虑到使梁在运营状态时也能保持部分设计线形状态阶段。最后还有砼徐变(恒载不变砼内水分挥发产生塑性变形)下挠等。应当特别指出:设置“预拱度”方法虽能够使跨中标高符合设计要求,但它没有解决力的平衡问题,没有消除Me,所以运营若干年后,大跨梁桥随着砼徐变产生,跨中必定发生持续的徐变挠度ft。其值计算如桥规JTGD62-2004中6.5
6、.6公式。2.3徐变挠度 (1) 徐变挠度计算公式为: (1)式中:ft:时间t的挠度 t计算所需龄期;t0加载龄期f0初始弹性挠度(自重+预应力) (2)徐变系数计算公式为: (2)式中:名义徐变系数(表F2.2),约在(1.83.5)范围 加载后徐变随时间发展的系数, (3)由上叙公式可见,徐变挠度ft与初始挠度f0成正比,而f0又与弯矩Me成正比。随着跨径l增大,Me和f0都急剧增加。因此通过设计手段减少了Me,也就减少了徐变挠度ft,这就是控制持续下挠的基本结构原理。(4)初始挠度: (3)式中:Me悬臂自重弯矩(Mg)上缘预应力弯矩(MT) 单位垂直力作用在跨中所产生的悬臂梁弯矩 E
7、 箱梁弹性模量; J 箱梁惯性矩由公式(1)可见,只要在结构设计中有效控制了初始弹性挠度f0的绝对值在一个很小范围内,那么砼徐变总挠度ft值也就不大,这样大跨梁桥持续下挠将得到有效的控制。2.4 下挠绝对值控制在桥规JTGD62-2004第64页中6.5.3条规定在消除结构自重产生的长期挠度后,梁式桥跨中最大挠度不应超过L/600。由国内多年经验表明,从控制开裂出发该值几乎偏大了一倍,不少桥梁跨中下挠f在L/1200时已出现了下缘裂缝。如表1,7座开裂桥梁中有三座桥的跨中挠度L/545L/766在桥规L/600左右,但其裂缝数已相当多,属危桥范畴,均已花费了数千万元进行加固。总结这些历史教训,
8、由此我们建议:. 桥规除强度验算外,大跨梁桥应专门增补挠度设计项目;. 要求预拱度值不应大于L/1200。通过限制了初始挠度的绝对值,来防止了持续下挠的恶化。. 当初始挠度(f0+f1)绝对值过大时,设计应另专门研究采取有效措施来降低。表1. 跨中下挠f与跨径L的相对比 项 目状 桥态 号 主孔跨径L(m)跨中实测挠度桥规允许(mm)L/600f(mm)时间(年)相对挠度开 裂 2702608L/1028450 2453209L/766408 16012011L/1333267 1402008L/636233 1202209L/54520080678L/1200133 707010L/1000
9、117未开裂1509523L/1500250 1353013L/45002253.恒载“零弯矩”设计理念3.1新理念的提出及发展1988年范立础院士主编预应力砼连续梁书中301页中,提出一种减少由混凝土徐变引起次应力的途径:即选择预应力产生的弯矩MT,使它刚好抵消建造过程中产生的自重弯矩Mg,这样恒载弯矩为零,由公式(3)计算初始挠度也为零,砼徐变对结构的影响将大大降低。此种新理念简称恒载“零弯矩设计”。新观点以挠度为目标控制,其特点是用预应力的设计手段来消除了初始挠度f0和初始转角。这样当砼徐变发生时,梁体仅有轴向位移而不产生挠度,因此就能极大地减少合拢后的持续下挠绝对值。早在80年代末期在
10、修建洛溪大桥180m连续刚构时,湖南和广东一些工程师就对“预拱度法”提出了质疑。认为“预抬高”不能解决力的平衡,因此不能消除合拢后箱梁后期的下挠。在他们主持的工程中采用了预应力恒载“零弯矩”的理念,修建了近十座连续梁桥,都取得了方便施工、简化工程控制和后期下挠较小的效果。由于我国连续梁桥修建历史不长,两种观点对后期下挠认识优劣一时分辩不出,双方争议时间达十余年之久。2004年被认为设计和施工质量都很好的广东虎门大桥辅航道桥(270m)下挠26cm并发现裂缝的事实震惊了桥梁界,促使大家对传统方法进行反思。为了证实新理念的效果,2005年4月份对我国首座按零弯矩理论设计的广东佛山市135m石南大桥
11、进行了检查。该桥运营13年跨中下挠仅3cm、未见荷载裂缝的事实充分说明恒载零弯矩理念的优越性。从1995年起江西省交通设计院在多座连续梁桥设计中,推广采用了“恒载零弯矩”设计理念,这些工程通车7、8年后均未见跨中过大下挠和开裂的现象。3.2大跨梁桥的恒载众所周知恒载弯矩Mg(含一期恒载及其二期恒载)是大跨梁桥的主要矛盾(见表2),占到总弯矩M的80以上。恒载中弯矩存在是使结构产生后期挠度的主要原因。应该看到恒载是固定的,方向是准确不变的,所以实现”零弯矩”是唯一解。而传统的预应力设计包络了活载、温度种种因素,不是全部针对恒载而设置,因此也就不能解决后期下挠问题。还需要特别指出桥梁恒载形成要经过
12、双悬臂施工、连续梁合拢、桥面浇筑、运营以及砼徐变等五个阶段。因此在大跨梁桥中也要分五个阶段设计预应力,只有在所有的阶段中都实现恒载“零弯矩”的要求,那么持续下挠才能根本改善。在这点上它与传统的“一次性到位”的预应力设计方法是截然不同的。然而计算表明五个阶段中以第一个阶段:悬臂施工最为主要。表2 恒载弯矩占总弯矩的比例项目石龟山桥赣江西支桥海湾桥方案主跨跨径(m)80110270恒载弯矩/总弯矩80%86%83%3.3体外索的引进连续梁(刚构)合拢后,继续施工桥面系g2(二期恒载);进入运营阶段后将承受均布活载gp1.05(t/车道)。这两项统称为连续梁图式的后期均布恒载p。它也产生不小的跨中挠
13、度fp,是大跨梁桥长期下挠f的一个主要组成部分,而这个问题长期以来一直被人疏忽。、无论传统的“预抬高”和“悬臂施工零弯矩法”都只适用于合拢前的跨中标高问题,但这两种手段都不能阻止梁后期挠度ft的发生。、近年来不少桥梁为了控制后期挠度fp的增长,在箱梁内都设置了体外索R.如图2.应当指出体外索设计的原则是使其所产生的弯矩MR应与后期均布荷载(p)所产生的Mp相平衡,而不仅仅是前期预应力的一种补充。 图2 预应力体外索图中符号: 箱梁自重g1 桥面荷载g2 车道荷载中的均布荷载gp后期荷载和 gg2gp所产生的连续梁弯矩MpR:体外索拉力 z:体外索到中性轴距离 MR :体外索产生的梁内弯矩Z R
14、由图可见,要使体外索产生比较明显的效果,跨中部份的梁高Ds应该有一定的高度。Ds愈大体外索弯矩MR愈大,效果愈好,Ds愈小则MR值小,效果不明显。图2所示270m桥跨,跨中梁高D7m(为支座一半左右)。由此又得到一个新理念:即设计体外索是解决后期均布荷载产生长期下挠的一个重要手段。3.4跨中梁高的选择前叙的恒载“零弯矩”方法是用预应力手段MT来平衡自重弯矩M0,使梁内不平衡弯矩Me值降到最小程度。但是无论如何努力,由于构造、工艺等种种原因,梁内的弯矩Me在各个截面总不能全部为零,因此长期挠度ft产生是不可避免的。因此采取何种措施使ft值得到控制才是设计的一项重要任务。 梁抗弯刚度在Me值一定的
15、情况下控制ft拱度的关键因素是增大主梁抗弯刚度EI。其中E是箱梁砼弹性模量,I是截面惯性矩,与截面高度D3成正比。如果保证跨中有一定的梁高Ds、增大惯性矩I、那么后期挠度ft值就会急剧减少,这比其它方法见效得多。现以270m连续刚构为例,跨中不同梁高在g27(t/m)(桥面重)及g2 (t/m)均布活载的共同作用下g7+29(t/m)的挠度如表3。表3 跨中不同梁高后期挠度f比较梁高D(m)惯性矩I(m4)抗弯刚度EI 106(Tm2)270m连续刚构挠度f(cm)比较4.5m3713112.51005.0m5318812.1976.0m9633710.5847.0m1575509.2748.
16、0m2137468.366 跨中梁高及线型选择270m桥跨中梁高D5m是按传统方法确定的(相当支座的1/3),高度偏矮,不能实现体外索张拉使后期荷载g9(t/m)所产生的弯矩为零。当梁高加大到D7m时,能使挠度减少26。在200m以上特大跨径领域中,跨中梁高为支座梁高1/3左右以及箱梁底板惯用抛物线型的方法将跨中部分梁的抗弯刚度削弱过大,是造成大跨梁桥下挠植较大的重要原因之一。此外如果跨中0.4L部分梁高采用直线形,加大EI则对减少ft有显著的效果。 跨中部分箱梁采用预制拼装众所周知箱梁砼的弹性模量E是随时间增长而加大的。目前在悬臂施工中由于加入早强剂使其强度三天就能达到设计强度要求,但弹性模
17、量没有达到。这也是造成挠度增大的一个重要原因。如果要求砼养护710天才能张拉预应力,但严重影响工期。一个较好的解决的办法是跨中部箱梁采用预制拼装新工艺,将跨中直线段梁体在预制场存放36个月,使其砼收缩徐变提早完成,弹性模量E也可提高1030%。这样使运营中后期下挠值ft也相应可减少1030。3.5 控制下挠的其它措施除上述结构措施之外,众所周知还有很多施工措施也能减少持续下挠的量。例如:计入泵送砼所多用的水泥和水对砼徐变系数的影响。做好砼配合比,控制水泥和水用量。.箱梁现浇早期弹性模量增长滞后于强度增长,因此节段施工时除规定强度外,还要保证不少于5天才能进行张拉。.竖向预应力要逐一检查并进行二
18、次张拉,来确保设计张拉力。.纵向预应力整体张拉后还要以分束张拉来检查,如设计索力达不到要求则需补拉,锚具要用顶压器顶紧。.采用“真空压浆”措施,确保预应力索的耐久性。4 桥梁悬臂施工大跨径梁桥通常都采用悬臂施工工艺,在合拢前是最不利的工况。前叙恒载自重“零弯矩”理论就是抓住这个主要矛盾,提出箱梁上缘预应力弯矩MT要有意识地按抵消箱梁自重悬臂弯矩Mg的原则设计。这样各个截面所存的不平衡弯矩Me(MgMT)甚小,因此合拢前的箱梁初始挠度和转角均接近零;使得悬臂施工状况和满堂支架整体建造状况基本相似。现以江西省南昌赣江西支桥为实例进行说明。另外对于一些没有按“零弯矩”理念设计的桥梁,施工中也可以采用
19、“临时斜拉索”的方法来实现悬臂状态箱梁自重零弯矩。现以广东虎门威远港口大桥为实例进行说明。上述两桥分别由江西交通设计院和中交四航设计院设计。他们率先进行设计理念的转变,值得桥梁工程师们关注。4.1 南昌赣江西支大桥.箱梁尺寸.通航孔跨径L=110m,箱梁截面如图3-1,高6.32.5m,宽17.35m,腹板厚从0.5m变至0.4m;底板厚度从0.66m变至0.25m,顶板厚度0.26m。截面面积A20.210.9m2;中性轴Y上3.041.03m;惯性矩I97.6110.41m4。110m跨径箱梁悬臂自重弯矩如表4-1。.截面上缘悬臂钢绞线预应力采用“平弯”方式在腹板顶部锚固,设计预应力采用观
20、点,如表4-2。预应力支点弯矩MN148,386t.m,大于悬臂自重支点弯矩Mg139,415t.m(为自重弯矩的122.8%)。本设计的上缘预应力所产生的正弯矩不但能够完全抵消自重的悬臂负弯矩,并且还留有一定的富余,所以在施工时箱梁体产生向上挠度f0=3.1(cm)(不计挂蓝重量)。因此在施工中可不设预拱度。.在张拉下缘预应力完成体系转换后,跨中仍然上挠3.6(cm),说明本桥预应力设计的正确。.110m跨桥梁恒重P=箱梁(5346t)+桥面(907t)=6253(t)。二期恒载(占恒重的14.5)所产生的后期挠度f2=-3.2(cm),可以用张拉下缘预应力索产生的上翘来解决。.箱梁挠度设计
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