連續(xù)梁的發(fā)展與工程實踐

1、我國預應力混凝土連續(xù)梁橋的發(fā)展與工程實踐李堅（上海市城市建設設計研究院）摘要 本文從橋梁設計技術、 施工技術和預應力材料等方面簡要介紹了我國預應力混凝土 連續(xù)梁橋的發(fā)展， 重點對預應力混凝土連續(xù)梁橋工程實踐中出現的主要問題、 形成原因、 敏 感性分析及設計對策探討等作了簡要分析和論述。關鍵詞 預應力 連續(xù)梁橋 技術發(fā)展 工程實踐 主要問題 敏感性分析設計對策一、概況自 60 年代中期在德國萊茵河上采用懸臂澆筑法建成Bendorf 橋以來，懸臂澆筑施工法和懸臂拼裝施工法得到不斷改進、 完善和推廣應用， 從而使得預應力混凝土連續(xù)梁橋成為許多國 家廣泛采用的橋型之一。我國自 50 年代中期開始修建預

2、應力混凝土梁橋， 至今已有 40 多年的歷史， 比歐洲起步晚， 但近對年來發(fā)展迅速，在預應力混凝土橋梁的設計、結構分析、試驗研究、預應力材料及工 藝設備、 施工工藝等方面日新月異， 預應力混凝土梁橋的設計技術與施工技術都已達到相當 高的水平。預應力混凝土連續(xù)梁橋是預應力橋梁中的一種，它具有整體性能好、結構剛度大、變形小、 抗震性能好，特別是主梁變形撓曲線平緩，橋面伸縮縫少，行車舒適等優(yōu)點。加上這種橋型 的設計施工均較成熟， 施工質量和施工工期能得到控制， 成橋后養(yǎng)護工作量小。 預應力混凝 土連續(xù)梁的適用范圍一般在 150m 以內，上述種種因素使得這種橋型在公路、城市和鐵路 橋梁工程中得到廣泛采

3、用。 目前我國已建成的有代表性的大跨徑公路和城市預應力混凝土連 續(xù)梁橋如表 1 所示。 雖然本文論述的重點是設置支座的預應力混凝土連續(xù)梁橋，但有必要簡要介紹一下由 T 型 剛構體系與連續(xù)梁體系結合而成， 采用薄壁柔性橋墩、 墩梁團結的預應力混凝土連續(xù)剛構橋。 這種橋型上部結構的受彎性能與連續(xù)梁基本相同。 由于墩梁固結， 主墩不設支座， 順橋向抗 彎剛度和根橋向抗扭剛度較大， 能滿足特大跨徑橋梁的受力要求， 從而使得預應力混凝土梁 橋的跨徑適用范圍從連續(xù)梁橋的 150rn 左右，發(fā)展到 300rn 以上。表 2 列出目前世界上已 建成的大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋。二、我國預應力混凝土連續(xù)梁橋的

4、發(fā)展1.橋梁設計技術（1 ）主要設計規(guī)范a. 1978 年交通部頒布了我國第一部 公路預應力混凝土橋梁設計規(guī)范 ，該規(guī)范按單一系數極限狀態(tài)設計理論編制，比以往采用的破壞階段理論規(guī)范前進了一步。b 1985 年交通部頒布了公路橋涵設計規(guī)范 ，其中公路鋼筋混凝土預應力混凝土橋涵 設計規(guī)范（ JTJ023-85 將單一系數改成多系數，以塑性理論為基礎作強度極限計算，以彈 塑性或彈性理論為基礎作正常使用極限計算。85 規(guī)范原則上是參照 1978 年 CEB-FIP 的國際標準規(guī)范 ，即 Medelcodeforcon creteStrUctures 編制的。c. JTK023 85 規(guī)范允許橋梁構件按

5、部分預應力混凝土（ ppc ）設計。? A 類構件 - 在短期荷載作用了截面受拉邊緣允許出現拉應力，但拉應力值不超過規(guī)范中的規(guī)定限值，如有些箱梁的頂板橫向預應力是按 A 類構件設計的。? B 類構件 - 在短期荷載作用下，截面受拉邊緣允許出現裂縫，即拉應力值超過規(guī)范中的規(guī) 定限值，目前在大跨徑預應力箱梁橋設計中未見采用。? PPC 構件具有節(jié)約鋼材、降低造價、能減少由預應力引起的反拱度、改善結構受力性能 等優(yōu)點，已在一般公路橋梁和城市橋梁工程中逐步推廣應用。2 ）橋梁結構分析專用軟件和 CAD 技術a.自 70 年代后期以來，我國橋梁結構分析專用軟件和CAD 技術得到大力開發(fā)和應用。其中包括采

6、用有限元法編制的橋梁通用綜合程序以及許多橋梁專用程序，實現設計、 計算。 繪圖一體化， 大大提高了計算精度和速度， 特別是用于大量重復計算、局部應力分析、設計方 案優(yōu)化。 大跨徑預應力混凝土橋梁的結構分析設計軟件開發(fā)和推廣應用，適應了我國橋梁建設高速發(fā)展的需要。b. 計算機技術已被廣泛應用于大跨徑預應力混凝土連續(xù)梁橋的施工控制。使得成橋后的線型平順，符合橋梁的縱向設計標高；橋梁結構的受力狀態(tài)能與設計計算一致。2.橋梁施工技術（1 ）在我國中小跨徑的預應力混凝土連續(xù)梁橋施工中，除了最古老的支架現澆方法外，還 采用了先簡支后連續(xù)、 頂推法、 移動模架逐孔澆筑法、 移動導梁逐孔拼裝法和梁體預制浮吊

7、安裝法等施工技術。（2 ）平衡懸臂拼裝施工法和平衡懸臂澆筑施工法的采用促進了預應力混凝土連續(xù)梁橋的發(fā)展。大跨徑預應力混凝土連續(xù)梁橋大多采用懸臂澆筑法施工。 根據連續(xù)梁橋的特點， 采用逐段平 衡懸臂澆筑，先形成 T 構，再逐跨合龍，逐跨釋放臨時固定支座，完成體系轉換，最終形 成多跨預應力混凝土連續(xù)梁橋。大跨徑預應力混凝土連續(xù)箱梁廣泛采用掛籃進行懸臂澆筑施工。 常用的掛籃形式有偏架式和 斜拉式。隨著施工技術的進步， 掛籃結構向著輕型化的方向發(fā)展， 盡可能采用構造合理、受 力明確、自重輕、利用系數高、使用安全方便，具有良好技術經濟指標的掛籃。例如，上海 黃浦江奉浦大橋等工程采用的菱型掛籃就是其中之一

8、，該掛籃總重僅 50t ，利用系數為 4.0 3 高強度預應力鋼材、 高標號混凝土和大噸位預應力錨固體系的研制開發(fā)和應用， 促進了大 跨徑預應力混凝土連續(xù)梁橋的發(fā)展。在 80 年代后期，國內開始生產 18edMPa 的低松弛預應力鋼絞線，加上與其配套的大噸位 預應力錢具和張拉設備的研制成功 C50 與 C60 混凝土的應用，使得預應力連續(xù)梁橋結構 輕型化，跨越能力得到很大提高。在這以前，我國大量采用 16000MPa 5 的高強度碳素鋼 絲和與其配套的鋼質錐形錨 （即 F式錨具） 這種錨具的張拉噸位小 使用時的控制張拉力僅 565kN ，每張拉 10kN 預應力需要的布柬面積約為 0.255c

9、m2 kN; 若采用 j15.2 12 型錨具張拉 10kN 預應力所需的布 束面積約為 0.096 cm2 kN ；采用 j15.2 22 型的 錨具時， 張拉 10kN 預應力所需的布柬面積約為 0.067cm2 kN 。三者的比例為 1 ：0.38 ： 0.26 ，由此可以看到，采用大噸位預應錨具體系后，使得預應力箱梁布柬范圍內的頂板、腹 板和底板尺寸， 設計時由原來的布柬控制改為受力控制和按構造要求控制，這樣， 大大減小 百箱梁斷面的尺寸，減輕了上部結構的自重。 箱梁混凝土及鋼絞線的用量能夠大大減少， 從而使得預應力結構設計更趨合理、 經濟。 若采 用以往的鋼質錐形錨具， 預應力混凝土

10、連續(xù)梁的跨越能力大多在 100m 左右。隨著 1860MPa 鋼絞線和大噸位預應力錨固體系的應用， 建橋施工技術的發(fā)展， 目前， 我國連續(xù)梁橋的最大 跨徑已達 165 。連續(xù)劇構橋的最大跨徑達到 270 。，從而使得我國預應力混凝土梁橋的設計、 施工技術進入世界先進行列。三、預應力混凝土連續(xù)梁橋工程實踐中出現的主要問題、 形成原因 敏感性分析和設計對策 探討1.預應力混凝土連續(xù)梁橋使用過程中存在的主要問題在預應力混凝土連續(xù)梁橋， 特別是大跨徑連續(xù)梁橋的施工或使用過程中， 部分橋梁有時會出 現這樣或那樣的問題，其主要問題是箱梁混凝土出現了不同性質的裂縫。根據作者所知， 在已建成的連續(xù)梁橋中， 某

11、些橋梁上部結構曾出現了部分裂縫， 主要有箱梁 頂板和底板的縱向裂縫； 箱梁腹板的斜向裂縫。 特別是靠近邊路現澆箱梁端部范圍的兩側腹 板，出現近 450 的斜向裂縫。現舉例如下：（l ）某公路大橋為三跨預應力連續(xù)梁結構。在中跨跨中近60m 范圍內，箱梁底板下緣合龍段上緣出現縱向裂縫，最多的一個截面有 10 多條，連續(xù)貫通，裂縫寬度 0.1 0.4mm 。 在兩只中墩左右的 1 號節(jié)段底板，各有 1 條長 2m 對稱的縱向裂縫，裂縫寬度 0 2 0 3mm 。在邊跨近橋臺的 4 5 個箱梁節(jié)段底板。出現不連續(xù)、較短的縱向裂縫，裂縫寬度 0 1 0.2mm 。（2 ）某公路大橋為連續(xù)剛構一連續(xù)梁橋結

12、構。該橋在每孔14 梁跨處的上、下游箱梁內側腹板處，發(fā)現與頂板呈 2545的斜向裂縫，成橋早年后共發(fā)現百余條裂縫， 最長約 4m ， 最大裂縫寬度達 1.8mm 。3 ）某公路特大橋，在兩岸跨箱梁現澆端 15m 范圍的上、下游腹核內外側，對稱出現近45 的斜向裂縫，數量較多，最大裂縫寬度 0.4mm（4 ）某大橋連續(xù)梁結構部分采用單箱多室橫斷面，該橋箱梁集中在中間兩道豎直腹板靠根 部處出現 100 多條外向裂縫。這些裂縫中，沿腹板厚度方向有一部分是貫穿的。其中縫寬 0.2 0.58mm 的有 20 多條。從以上幾座預應力混凝土橋梁的裂縫來看， 其性質大部為受力裂縫， 且寬度較大。 為保證這 些

13、橋梁的安全性和正常使用；以及結構的耐久性，有關方面曾對裂縫的成因作過一些分析。 我們也可從中吸取教訓， 以提高對這類問題的認識和重視， 為今后從事預應力混凝土橋梁的 設計、施工、管理和監(jiān)理工作采取相應的對策。2裂縫形成原因分析（1） 目前我國大跨徑預應力混凝土連續(xù)梁橋的設計，大多是按照全預應力結構設計的，即在 理論上要求結構不出現拉應力。 針對預應力混凝土連續(xù)箱梁結構而言，裂縫形成的原因， 主要有以下幾方面：a在主橋總體設計中，跨徑比例、箱梁截面尺寸的擬定不合理；b 結構設計抗彎剪能力不足；c對由預應力鋼束引起的附加力估計不足；d. 對溫度應力重視不夠；e. 施工質量不好、其中包括混凝土澆筑與

14、養(yǎng)生；施工順序與施工精度；預應力鋼來的保護層 厚度達不到設計要求； 支架與模板變形過大； 預應力張拉力不足； 灌漿不及時或其他質量問 題等。f 材料質量 - 如混凝土的水泥及骨料品種、材料級配及計量誤差等問題。2 ）預應力混凝土橋梁工程中產生的裂縫，由于各種因素的相互影響，十分復雜。一般應對設計、 施工及材料質量等方面著手調查分析， 看問題發(fā)生在哪一個環(huán)節(jié)上， 并根據結構裂 縫的位置、方向、縫寬、裂縫長度與深區(qū)、裂縫間距等現象作為依據，進行分析。 本文重點談一下如何從設計方面進行檢查分析，其中主要有： a對可能產生結構裂縫原因的應力進行復核，諸如混凝土的拉應力、壓應力、剪應力、主 拉應力及局部

15、應力等。b 應力復核結果是否超過設計規(guī)范規(guī)定的使用荷載作用下混凝土的法向應力、 主拉應力值。c. 裂縫的部位和方向是否與所計算的應力方向一致。d 對控制預應力混凝土箱梁設計的一些主要內容進行敏感性分析，如對縱向預應力布京設 計方案、豎向預應力、箱梁高度、腹板高度、溫度應力等。（3 ）混凝土主拉應力斜裂縫問題 預應力混凝土結構同普通鋼筋混凝土結構一樣，在受彎構件正截面強度有足夠保證的情況 下，仍有可能沿斜截面破壞。 在斜截面破壞前， 總會先出現由彎短和剪力引起的主拉應力斜 裂縫。預應力混凝土受彎構件由于預應力的存在，特別在縱向和豎向預應力的共同作用下， 箱梁內的主拉應力大大降低， 從而使得斜截面

16、的抗裂性比普通鋼筋混凝土好。 在合理進行縱 向預應力鋼來布置和豎向預應力鋼筋設計的情況下， 可以把使用荷載作用下的主拉應力控制 在小于規(guī)范規(guī)定的混凝土抗拉強度（主拉應力）范圍內。然而設計人員必須注意 到：一旦 結構出現斜裂縫，其承載能力將會降低，甚至會突然破壞。所以當主拉應力ZL 0.5 （荷載組合 I）或 ZL0.5 （荷載組合及組合）時，必須按規(guī)范規(guī)定設置由計算所需的抗 剪鋼筋。（4 ）預應力混凝土連續(xù)箱梁橋的敏感性分析以保證各個截面的正截a.縱向預應力鋼束布置方案預應力混凝土箱梁通過縱向預應力鋼柬提供構件各載面的預壓應力， 面強度。 設計時通過對縱向預應力鋼束的合理布置， 以提供和提高箱

17、梁的斜截面強度。 縱向 預應力設計是預應力混凝土連續(xù)梁橋的核心問題。 在敏感性分析中， 通過對增加一對底板鋼 束或減少一對底板鋼束的計算分析， 結果表明： 對結構截面正應力的影響程度較大， 而對腹 板加膠處主拉應力的影響不顯著。 可以這樣講， 縱向預應力直線鋼束的多少主要關系到箱梁 正截面強度的大小。 敏感性分析同時表明， 由于縱向預應力對各截面應力狀態(tài)的影響程度及 其規(guī)律并不完全一致，設計時應給予充分重視。除了對各控制截3.設計對策探討 預應力混凝土連續(xù)梁橋的裂縫問題涉及到設計、施工、 監(jiān)理等各方面， 本文僅從設計方面作對策探討。（1 ）橋梁跨徑布置和箱梁截面尺寸擬定a.橋梁跨徑布置 預應力

18、混凝土連續(xù)梁橋的邊跨與主跨比選用是否恰當直接影響到結構受力的合理性。 若邊跨 太大， 則邊跨支架現澆梁段長度偏長， 施工時要防止支架不均勻沉降。 邊路一長其整體剛度 偏小， 在恒載與活載作用下，現澆段會出現較大的主拉應力， 容易發(fā)生混凝土開裂；當在邊 跨加載時對中跨箱梁的受力不利。若邊跨與中跨之比過小，則邊跨支點可能會出現負反力， 使得邊墩與邊跨受力不合理。在連續(xù)梁橋設計中， 一般可以通過調整各跨的剛度 即合理取用相鄰跨長的不同比值來調整 各截面的內力，以滿足設計的要求。對中小跨徑的連續(xù)梁橋而言，邊跨與主跨比一般取用0.5 0.8 ，這樣可以使中跨跨中不致產生異號彎矩，邊墩支點也不會出現負反力

19、。對采用滿 堂支架施工的連續(xù)梁橋，這跨取中跨長度的70 80是經濟合理的。但對采用掛籃懸臂澆筑法施工的大跨徑預應力混凝土連續(xù)橋而言， 邊跨總有一段需采用支架現澆。 為使連續(xù)梁 結構的內力變化較合理和減少支架長度，設計時邊跨長度一般選用中跨長度的65 左右為宜。結合國內外部分大跨徑連續(xù)梁橋的工程實踐，作者建議邊跨與中跨的長度比一般控制在0.55 0.65ob 箱梁斷面尺寸擬定自大噸位錨具、 1860MPa 鋼絞線和高強度混凝土在大跨徑預應力混凝土橋梁中采用以來， 箱梁的自重大大減輕， 使得上部結構有條件向輕型化方向發(fā)展。 現行公路橋梁設計規(guī)范是采 用極限狀態(tài)設計的， 結構均應通過承載能力極限狀態(tài)

20、和正常使用極限狀態(tài)的計算。 除此， 對 構造上及施工工藝方面的要求必須得到滿足。 從作者了解到的一些出現裂縫的橋梁來看， 有 一些是與箱梁所選用的斷面尺寸安全儲備偏小有關。 通過主拉應力的敏感性分析得知， 若不 設置豎向預應力鋼束或者豎向預應力失效， 則必須加大腹板厚度尺寸， 重新設計。 若豎向預 應力只考慮 50 的效果時，計算所得的主拉應力仍會出現大于規(guī)范規(guī)定值的情況。這說明 與腹板厚度尺寸的選定有一定的關系。另外現行設計規(guī)范中與此有關部分的公式一般 僅適用于等高度的簡支梁 ，若用于連續(xù)梁時，應考慮一定的安全系數。這樣按公式計算得到的 斜截面抗剪強度 Qhk QW 值應適當折減。反過來折減

21、后的 Qhk QW 值對腹板厚度又有 所要求。作者建議選定箱梁斷面尺寸時，除了注意梁高（ H 支和 H 中）的因素外，還應該 重視腹板尺寸的優(yōu)化。（2 ）縱向預應力布束方案與預應力儲備a. 縱向預應力布束方案鋼筋的在本文三、 1 中列出的幾座出現剪切裂縫的預應力混凝土箱梁橋中，發(fā)現這樣一個共同點， 就是在縱向預應力鋼束布置時往往偏重施工方便的要求， 而忽視了對腹板下彎束和邊跨現澆 箱梁端部一定范圍內腹板彎起束的有效利用問題。由于采用了在箱梁頂板和底板布置直線 束，僅靠設置豎向預應力鋼筋來克服結構剪應力的布束方案， 這必須建立在充分保證豎向預 應力能夠達到設計要求的前提下。 實際上箱梁腹板由豎向預應力鋼筋長度一般較短， 張拉伸長量較小， 施工時若發(fā)生少量的壓縮變形， 將會產生較大的預應力損失； 加上錨固系 統(tǒng)和施工操作上的問題， 一般很難保證設計所要求的預應力度。 從對豎向預應力的敏感性分 析來看， 若箱梁斷面尺寸偏小一點， 一旦豎向預應力不到位， 則結構的主拉應力將超過規(guī)范 的許可值，從而使結構應力處于不利狀態(tài)。工程實踐證明： 在采用直線束