大跨度混凝土梁橋的合理成橋狀態(tài)設計方法-圖文

40橋梁建設2010年第1期文章編號:1003--4722(201001一0040一05大跨度混凝土梁橋的合理成橋狀態(tài)設計方法劉釗1,戴瑋1,賀志啟1,吉林2,李準華!,趙君黎3(1.東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室,江蘇南京210096;2.江蘇省長江公路大橋建設指揮部,江蘇南京210004;3.中交公路規(guī)劃設計院有限公司,北京100088摘要:針對采用節(jié)段懸澆施工的大跨度混凝土梁橋普遍存在的持續(xù)下?lián)蠁栴},提出基于荷載效應平衡的“合理成橋狀態(tài)”概念以及相應的預應力配筋設計方法。通過合理的縱向預應力配置去適度平衡多種作用效應,使橋梁處于合理的成橋狀態(tài)(彎曲狀態(tài)、應力狀態(tài)和撓曲狀態(tài),以便能夠抑制跨中長期下?lián)?。此?還提出控制最大壓應力水平和采用體內(nèi)一體外混合配束的設計策略。結合持續(xù)下?lián)系臋C理討論,認為合理成橋狀態(tài)是一種能有效抑制橋梁下?lián)系膶嵱迷O計方法。關鍵詞:混凝土梁橋;合理成橋狀態(tài);預應力;下?lián)?橋梁設計中圖分類號:U442.51文獻標志碼:AMethodforRationalCompletionDesignStatusofLongSpanPCGirderBridgesLIUZha01,DAIWeil,HEZhi—qil,jILin2,LIZhun—hua3,ZHAOJun—li3(1.KeyLaboratoryofConcreteandPrestressedConcreteStructuresofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.JiangsuProvincialYangtzeRiverHigh-wayBridgeConstructionCommandingDepartment,Nanjing210004,China3.CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100088,ChinaAbstract:Inthelightofthesustaineddefectiondeteriorationcommonlyexistinginthelongspanprestressedconcrete(PCgirderbridgesconstructedbythesegmentalcantilevercastingmethod,theconceptofthe“rationalcompletionstatus”basedontheloadeffectbalancingprinci—pieandthecorrespondingdesignmethodforarrangementofprestressingareproposed.Bywayoftherationalarrangementofthelongitudinalprestressing,thedifferentactionsofvariouseffectwillbebalancedtoanappropriatedegreeandthebridgeswillbekeptintherationalcompletionstatus(bendingstatus,stressstatusandflexurestatusSOthatthemiddleandlongtermdeflec—tionofthebridgescanbeinhibited.Inaddition,thedesignstrategyofcontrollingthemaximumcompressivestresslevelandthemixedarrangementoftheinternalandexternalprestressingisal—forward.Withreferencetothediscussionsonthemechanismofthesustaineddeflection,SOputthe“rationalcompletionstatus”conceptasprovidedherewithisjustifiedasapracticaldesignmethodthatcaneffectivelyinhibitthesustaineddefectionofthebridges.Keywords:concretegirderbridge;rationalcompletionstatus;prestressing;deflection;bridgedesign收稿日期:2009一10—29基金項目:江蘇省交通科學研究計劃項目(08Y29作者簡介:劉釗(1964一.男,教授.博士生導師,1984年畢業(yè)于西南交通大學橋梁專業(yè),工學學士,1987年畢業(yè)于西南交通大學橋梁專業(yè),工學碩士,2001年畢業(yè)于東南大學結構工程專業(yè),工學博士(mr.1iuzhao@.萬方數(shù)據(jù)大跨度混凝土梁橋的合理成橋狀態(tài)設計方法劉釗,戴瑋,賀志啟,吉林,李準華,趙君黎4l1引言調(diào)查表明,采用節(jié)段懸澆施工的混凝土梁橋的長期下?lián)蠁栴}比較普遍,已成為困擾混凝土梁橋向大跨度發(fā)展的一個棘手問題。毋庸置疑,這些下?lián)狭窟^大的橋梁在當初的變形檢算中也都能滿足規(guī)范要求。當審視我們目前的橋梁設計過程時,不難發(fā)現(xiàn),在擬定構造尺寸和預應力配筋之后,一般設計者僅滿足于根據(jù)規(guī)范來進行驗算,而不去關注橋梁內(nèi)力狀態(tài)的合理性。實際上,滿足規(guī)范的預應力配筋方案可以有很多種,若從抑制橋梁長期變形的角度來看,不是每一種配筋設計方案都是合理的。林同梭教授在20世紀50年代提出的預應力荷載平衡設計方法,其基本點是:預應力等效荷載。冬恒載+k×活載(1式中,k為被平衡活載的比例系數(shù),取0~1?；诤奢d平衡的預應力設計方法認為[1]:①應該用預應力等效荷載的豎向分量去平衡恒載與部分活載;被平衡的活載比例k,應根據(jù)實際情況選取,而不應根據(jù)規(guī)范設計荷載組合選取。②通過荷載平衡將結構的初始彈性撓度限制在較小范圍內(nèi),以抑制收縮徐變的時效變形,同時也可避免復雜的徐變效應計算問題。③預應力豎向分量在平衡外荷載之后的殘差,會使剛度偏弱的結構產(chǎn)生顯著的上拱或下?lián)?。④若等效荷載的豎向分量能夠精確平衡持久荷載,混凝土的彈性模量與徐變則不影響結構的撓度。林氏荷載平衡法可直接應用于布置通長預應力束的梁橋。但是,對于大跨度節(jié)段懸臂施工的混凝土梁橋,有新的結構特點:(1節(jié)段懸臂施工橋梁的頂板懸臂束與底板合龍束為分段布置,不能提供豎向分量去直接平衡外荷載。在很大程度上,是靠預應力的偏心彎曲效應來平衡恒載及其他外荷載產(chǎn)生的彎曲效應,見圖1。(2對于節(jié)段懸臂施工所形成的橋梁,不能用初始成橋線形或預應力引起的彈性撓度的大小來控制長期時效撓度,應該通過控制成橋時的初始撓曲狀態(tài)來控制后期的徐變撓度。(3在大跨度混凝土梁橋中,預應力所需抵消的外荷載效應,不能僅包括恒載與一定比例的活載,還應該全面考慮恒載、活載及其他可變荷載的變異性及其影響。(4對于大跨度混凝土梁橋,因采用節(jié)段平衡懸臂、跨中合龍的方式施工,沿橋跨縱向的恒載、活載比例大不相同。為此,應該針對不同的部位,采用乒三二刁qP2qD+^口L(8通長束(b懸臂柬圖1通長束與懸臂束的等效荷載示意不同的荷載效應平衡系數(shù)。(5橋梁的實際預應力損失往往超過規(guī)范公式計算值,且影響因素多、離散性大,所以,不能指望用有效預應力來“精確”平衡持久荷載的彎曲效應。2預應力混凝土梁橋的合理成橋狀態(tài)根據(jù)徐變的性質(zhì),受彎構件的徐變變形總是加劇初始撓曲的發(fā)展。于是,可以通過控制成橋彎曲狀態(tài)來實現(xiàn)預定的初始曲率狀態(tài),進而抑制長期徐變下?lián)?。這種以控制長期時效變形為目標的成橋狀態(tài),稱為合理成橋狀態(tài),其定義為:在橋梁竣工時,預應力在抵消恒載產(chǎn)生的彎曲效應之后,使得梁體處于恰當?shù)妮S壓和彎曲狀態(tài),使之能夠平衡一定比例的活載、溫度作用等產(chǎn)生的彎曲效應,以抑制橋梁的長期時效變形。在合理成橋狀態(tài)下,連續(xù)梁(或剛構的彎曲狀態(tài)、應力狀態(tài)和撓曲狀態(tài)有以下特征。(1對于彎曲狀態(tài):要求梁體根部區(qū)域儲備一定量的正彎矩,用以抵抗活載(包括超載、溫度等在根部截面產(chǎn)生的負彎矩;跨中部位儲備一定量的負彎矩,用以抵抗在長期運營中因活載、溫度等可變荷載效應造成的不利影響?，F(xiàn)以圖2所示三跨連續(xù)梁橋為例,在合理成橋狀態(tài)下預應力平衡恒載效應后的彎矩分布,應該與活載及其他可變荷載的彎曲效應相反,即:梁體根部區(qū)域承受正彎矩,跨中區(qū)域承受負彎矩。fIIⅡ圖2合理成橋狀態(tài)下的彎矩分布(2對于應力狀態(tài):要求梁體全截面保持一定的壓應力,且梁體根部截面上緣壓應力要大于下緣壓應力,跨中截面下緣壓應力大于上緣壓應力,這種應力狀態(tài)可以避免在長期運營及最不利荷載下出現(xiàn)萬方數(shù)據(jù)42橋梁建設2010年第1期拉應力(圖3。堡墼:塑壅查墮塾堡旦題盟幽墮墼堡旦口煎墼:至絲堡旦蘭塑查塑鑒查掃§掃羅礦合理可接受差(bⅡ一Ⅱ截面圖3合理成橋狀態(tài)下的應力分布(3對于撓曲狀態(tài):要求跨中區(qū)段的初始曲率向上凸起,使徐變作用下的跨中變形趨勢向上,這種狀態(tài)在一定程度上可以抑制因活載、溫度及預應力損失過大引起的持續(xù)下?lián)?。根?jù)合理成橋狀態(tài)原理,有效預應力引起的彎矩與其他荷載下的彎矩平衡關系如下:Mp.‘3足DMD+kL^4l,+忌TMT+…4-忌uNMUN(2式中,MP為有效預應力引起的彎矩;MD為恒載彎矩;ML為活載彎矩;MT為溫度作用引起的彎矩;MuN為其他需要考慮的荷載彎曲效應;憊D、忌。、愚T分別為恒載、活載及溫度的荷載效應平衡系數(shù);愚uN為考慮其他因素時的荷載效應平衡系數(shù),如支座沉降、連續(xù)剛構橋的整體升降溫等。3基于合理成橋狀態(tài)的配筋設計方法3.1荷載效應平衡系數(shù)取值(1恒載效應平衡系數(shù)kD。在合理成橋狀態(tài)設計法中,恒載效應也存在變異(如來自梁體超重、鋪裝超厚,在節(jié)段懸臂施工橋梁中,一期恒載在梁體根部截面產(chǎn)生很大的負彎矩,而在跨中截面幾乎不產(chǎn)生彎矩;二期恒載對根部截面的彎矩貢獻比一期恒載小,但對跨中截面彎矩影響大。一期恒載與二期恒載的變異對不同部位影響程度不一致,故采用預應力平衡恒載時,一期恒載與二期恒載需區(qū)別對待,針對不同部位選取不同的平衡系數(shù)。(2活載效應平衡系數(shù)k。。對于大跨度混凝土梁橋,普遍認為恒載遠大于活載。但是,仔細分析后可以發(fā)現(xiàn)這一認識并不完全正確。以三跨連續(xù)梁為例,根部活載彎矩與恒載彎矩相比很小,在大跨度時有時不足10%。但在跨中區(qū)段活載比例很大,在恒載零彎矩處,梁體只承受活載的作用,在跨中(o.2~0.4L范圍內(nèi),活載彎矩也接近或大于恒載彎矩(圖4;同時在跨中(0.2~O.5L范圍內(nèi)的活載應力幅度,已經(jīng)達到或超過恒載與預應力引起的梁體應力水平的一半(圖5?？梢?活載與恒載的效應比值沿橋跨分布不均勻,在跨中區(qū)段,活載效應較大,而這一區(qū)段的梁體剛度又小于根部,對活載比較敏感。故在預應力設計中,必須針對不同的部位,選取不同的活載效應平衡系數(shù)。在跨中預應力應該平衡更多比例的活載。圖4中跨范圍的活載與恒載彎矩比圖5中跨范圍的活載應力幅與梁體應力比(3溫度效應平衡系數(shù)kT。溫度作用對于大跨度混凝土梁橋不可忽略,在梯度溫度作用下三跨連續(xù)梁的次彎矩見圖6。梯度升溫在跨中區(qū)段產(chǎn)生的正彎矩與活載彎矩相近,需用跨中合龍束去平衡。梯度降溫產(chǎn)生負彎矩值是梯度升溫產(chǎn)生正彎矩值的~半,對梁體根部不利,需用懸臂束去平衡。所以,采用預應力平衡溫度荷載時,應針對不同部位選取不同的平衡系數(shù)。梯度降溫彎矩梯度升溫彎矩圖6梯度溫度作用下三跨連續(xù)梁的彎矩分布(4荷載效應平衡系數(shù)取值?；诤侠沓蓸驙顟B(tài)設計思想并結合以上分析,對于節(jié)段懸臂施工的大跨度混凝土梁橋,對各控制截面的荷載平衡系數(shù),建議按表1取值。3.2預應力筋的定量設計方法在計算出截面設計彎矩后,根據(jù)表達合理成橋狀態(tài)的公式(2,可得到跨中和梁體根部截面的預應力用量配筋計算公式。&差咀一尋捆O8642Ol00OO口毫十JJ毫唧墮玉一唧一亟鏖一二百恒一萬方數(shù)據(jù)大跨度混凝土粱橋的合理成橋狀態(tài)設計方法劉釗,戴瑋,賀志啟,吉林,李準華,趙君黎43表1建議的荷載效應平衡系數(shù)取值梁體根部懸臂預應力柬的用量:Nl>(愚DMl,D+矗LMl。L+正TMl.T—Mo/e1(3式中,N1為施加于根部截面上的有效預加力;M。.D、Ml小M,.T分別為恒載、活載、溫度在根部截面產(chǎn)生的彎矩;e。為根部截面預應力偏心距;Mc為合龍束在根部截面產(chǎn)生的次彎矩?？缰泻淆堫A應力束的用量:vN2>(kDM2。D-F是LMz.L+愚TM2.T/e2(4式中,刁為合龍束的效率系數(shù);N。為跨中截面上的有效預加軸力;M2.D、M2。。、Mz。T分別為恒載、活載、溫度在跨中截面產(chǎn)生的彎矩;e。為跨中截面預應力偏心距?？缰泻淆埵趶埨瓡r橋梁已成為超靜定結構,因此,張拉合龍束會產(chǎn)生次彎矩,次彎矩對于梁體根部截面有利,但在跨中截面與其初彎矩方向相反(圖7,即降低了合龍束的使用效率?？赏ㄟ^引入合龍束的效率系數(shù)呀加以考慮,對于邊跨合龍束為0.95,中跨合龍束取值范圍是0.25~O.5。盥三N一2ezjⅣe”2目Ⅳ00初彎矩.蘆啞啞儼皿匠咿.圖7跨中合龍束彎矩效率示意在得到滿足合理成橋狀態(tài)的預應力用量后,再結合運營階段控制條件、施工階段控制條件與局部應力的驗算,即可完成預應力配筋設計。4實例分析[例1]某懸臂施工的三跨連續(xù)剛構橋,其跨徑布置為(150+270+150m,采用單箱單室截面,頂寬15m,底寬7m。根部梁高14.8m,跨中梁高5m。梁體采用C55混凝土。1997年大橋建成通車。據(jù)報道,2003年11月左幅跨中下?lián)线_22.2cm,右幅跨中下?lián)线_20.7cm,均超過了設計預期[2]。計算表明預應力未能平衡所有的恒載效應,長期徐變變形趨勢為下?lián)?該橋成橋彎矩分布不滿足合理成橋彎曲狀態(tài)(圖8;關鍵截面的應力分布(表2也不滿足合理成橋應力狀態(tài)。(欠臺理成橋彎矩圖8例l中的實際成橋彎矩與合理成橋彎矩比較表2關鍵截面法向應力分布(例1MPa[例2]某五跨連續(xù)剛構橋,其跨徑布置為(162.5+3×245+162.5m。箱梁頂面寬19.6m,底面寬10.0m,薄壁墩處梁高13.0m,跨中梁高4.1m。梁體采用C55混凝土。1995年12月大橋通車,成橋7年后即有嚴重病害。主要病害為:共發(fā)現(xiàn)箱梁裂縫6638條,包括腹板斜裂縫和豎向裂縫、底板下表面的橫向裂縫等。各跨跨中均有明顯下?lián)?與成橋相比,大橋北岸次邊跨跨中下?lián)线_30.5cm,中跨跨中下?lián)线_21.2cm,南岸次邊跨跨中下?lián)弦堰_22.6cmL3J。計算得到該橋的成橋彎矩分布(圖9,表明預應力僅平衡約3/4的恒載彎矩,因而不滿足合理成橋彎曲狀態(tài),關鍵截面的應力分布(表3也不滿足合理成橋應力狀態(tài),因此認為后期持續(xù)下?lián)吓c成橋狀態(tài)欠合理有著很大的相關性。本例成橋彎矩(欠合理成橋彎矩;=;卸吟;;。4口畸一4I喳。一卅I吟.;:、峪理成橋彎毒*7、忡/,、∥圖9例2中的實際成橋彎矩與合理成橋彎矩比較表3關鍵截面法向應力分布(例2MPa5基于合理成橋狀態(tài)的實用設計策略5.1通過合理選擇截面尺寸,控制最大壓應力水平為得到合理成橋狀態(tài),如果增加預應力用量會使根部截面的壓應力水平超限,這說明其截面尺寸偏小。同時,偏小的截面尺寸也會增加布束困難。應通過合理的截面尺寸設計,既保證能得到合理成橋狀態(tài),又能使最大壓應力滿足規(guī)范要求的限制。5.2采用體內(nèi)一體外混合配束設計考慮到實際預應力損失總是大于按規(guī)范計算值,同時摩阻、收縮徐變、松弛等損失也存在著很大的不確定性[4],故建議采用體內(nèi)一體外混合配束的萬方數(shù)據(jù)44橋梁建設2010年第1期設計方式,用體外束補償預應力長期損失過大的問題。對于大跨度橋梁,應優(yōu)先采用通長布置的體外束,通過對體外束的后期張拉來調(diào)整內(nèi)力和應力狀態(tài),從而抑制可能產(chǎn)生的持續(xù)下?lián)献冃巍?混凝土梁橋持續(xù)下?lián)系臋C理討論正確認識長期下?lián)系臋C理是解決問題的關鍵。對于實際橋梁發(fā)生持續(xù)下?lián)系脑?除預應力時效損失過大外,有以下幾點討論:(1關于徐變、收縮對下?lián)系挠绊?。目前的徐變、收縮模式要么收斂,要么就是后期發(fā)展十分緩慢,據(jù)此計算得到的長期時效撓度也應是收斂或者緩慢發(fā)展的,這與目前觀測到的持續(xù)下?lián)犀F(xiàn)象不吻合。對此,V.Kfistek和Z.P.Ba孟ant等研究認為,對于懸臂施工的預應力混凝土箱梁,目前普遍對全截面采用統(tǒng)一的收縮、徐變模式是不正確的,并認為因箱梁頂、底板厚度差較大而引起的截面上收縮和干縮徐變差異是橋梁持續(xù)下?lián)系闹匾蛑籟5]。(2關于溫度交變和活載疲勞下的殘余變形?？紤]環(huán)境溫度的交變作用,布置于箱梁頂板中的懸臂預應力束受溫差影響大,會產(chǎn)生不可恢復的松弛與殘余變形(圖10。同時,跨中區(qū)域的活載應力幅大且結構剛度較小,活載導致的疲勞殘余變形也會不斷累積,成為跨中塑性下?lián)系慕M成部分(圖11。l8∞墨1000臭20g非“非圈10預應力筋與混凝土的殘余變形蠑圖11溫度交變和活載疲勞下的殘余變形(3關于裂縫與下?lián)现g的相互影響。橋梁開裂與下?lián)现g存在明顯的相關性,時效變形的增長會使某些區(qū)域的拉應變超限(連續(xù)性受到破壞,從而導致開裂;同時,裂縫導致的剛度退化和結構內(nèi)力重分布也將加劇跨中下?lián)?。影響橋梁開裂的原因有來自設計、施工、材料等方面的多種因素,甚至包括使用期超載的影響,但是在橋梁后期出現(xiàn)的裂縫,均可以看成是早期裂縫的顯化。對于采用懸澆施工的大跨度梁橋,由于掛籃施工時養(yǎng)護條件差、加載齡期短,因而混凝土結構的時效變形與早期損傷均比節(jié)段預制拼裝橋梁更為不利,因此預制拼裝技術值得重視與推廣。7結語合理成橋狀態(tài)設計方法旨在從全橋受力與變形狀態(tài)上克服可能引起下?lián)系亩喾N不確定因素。按照合理成橋狀態(tài)進行設計是解決長期下?lián)蠁栴}的必要條件,但還不是充分條件。在大跨度混凝土橋梁設計中,體內(nèi)一體外混合配束以及節(jié)段拼裝技術有助于更好地使橋梁達到合理成橋狀態(tài)。另一方面,由于影響橋梁持續(xù)下?lián)系囊蛩睾芏?且有很大的不確定性,所以更應該注重合理成橋狀態(tài)設計方法,以便最大程度地抑制橋梁長期下?lián)?。參考文獻:[1]LinTY.Load—BalancingMethodforDesignandAnal-ysisofPrestressedConcreteStructures[J].JournaloftheAmericanConcreteInstitute,1963,(6:719—742.[23楊志平,朱桂新,李衛(wèi).預應力混凝土連續(xù)剛構橋撓度長期觀測[J].公路,2004,(8:285—289.(YANGZhi-ping,ZHUGui-xin,LIWei.Long-TermObservationofPeflectionofPrestressedConcreteCon—tinuousRigidFrameBridges[J].Highway,2004,(8:285—289.inChinese[3]詹建輝,陳卉.特大跨度連續(xù)剛構主梁下?lián)霞跋淞毫芽p成因分析[J].中外公路,2005,(I:56—58.(ZHANJian-hui,CHENHui.CausesofCrackingandDeflectionforLong-SpanContinuousRigidFrameBridges[J].JournalofChina&ForeignHighway,2005,(1:56—58.inChinese[4]李準華,劉釗.大跨度預應力混凝土梁橋預應力損失及敏感性分析[J].世界橋梁,2009,(1:36~39.(LIZhun-hua,LIUZhao.AnalysisofPrestressingLossandSensitivityofLongSpanPrestressedCon—creteBeamBridge[J].WorldBridges,2009,(1:36—39.inChinese[53KfistekV。BazantzP,ZichM,eta1.BoxGirderBridgeDeflections--WhyistheInitialTrendDeceptive[J].ConcreteInternational,2006,28(1:55—63.萬方數(shù)據(jù)大跨度混凝土梁橋的合理成橋狀態(tài)設計方法作者：作者單位：劉釗，戴瑋，賀志啟，吉林，李準華，趙君黎劉釗,戴瑋,賀志啟(東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室,江蘇,南京,210096，吉林(江蘇省長江公路大橋建設指揮部,江蘇,南京,210004，李準華,趙君黎(中交公路規(guī)劃設計院有限公司,北京,100088橋梁建設BRIDGECONSTRUCTION2010，""(10次刊名：英文刊名：年，卷(期：引用次數(shù)：參考文獻(5條1.LinTY.Load-BalancingMethodforDesignandAnalysisofPrestressedConcreteStructures[J].JournaloftheAmericanConcreteInstitute,1963,(6:719-742.2.楊志平,朱桂新,李衛(wèi).預應力混凝土連續(xù)剛構橋撓度長期觀測[J].公路,2004,(8:285-289.(YANGZhi-ping,ZHUGui-xin,LIWei.Long-TermObservationofPeflectionofPrestressedConcreteContinuousRigidFrameBridges[J].Highway,2004,(8:285-289.inChinese3.詹建輝,陳卉.特大跨度連續(xù)剛構主梁下?lián)霞跋淞毫芽p成因分析[J].中外公路,2005,(1:56-58.(ZHANJianhui,CHENHui.CausesofCrackingandDeflectionforLong-SpanContinuousRigidFrameBridges[J].JournalofChina&ForeignHighway,2005,(1:56-58.inChinese4.李準華,劉釗.大跨度預應力混凝土梁橋預應力損失及敏感性分析口[J].世界橋梁,2009,(1:36-39.(LIZhunhua,LIUZhao.AnalysisofPrestressingLossandSensitivityofLongSpanPrestressedConcreteBeamBridge[J].WorldBridges,2009,(1:36-39.inChinese5.K(rístekV,Ba(zantZP,ZichM,etal.BoxGirderBridgeDeflections-