大跨径连续梁桥的设计技术要点分析

大跨径连续梁桥的设计技术要点分析
摘要:连续梁桥技术因其具有的受力均匀、整体性好、节省材料,安全度高等优点广泛应用于我国中跨径和大跨径的桥梁建设项目中。

但在投入运营的近十年间,大跨径连续梁桥也暴露出了跨中挠度过大、腹板开裂变形等一系列质量问题,这就需要设计者控制好影响其结构稳定性的诸多因素。

本文通过对连续桥梁结构设计中关键部位的计算,分析了预应力混凝土连续梁成桥的合理状态,并简要说明了设计中应充分注意的问题。

关键词:连续梁桥桥梁设计大跨径
1 预应力混凝土箱梁技术在大跨径桥梁设计中的应用
连续梁桥是一种指两跨或两跨以上,连续的超静定结构桥梁。

由于其主梁连续支承在几个桥墩上,支点产生的负弯矩对跨中正弯矩具有卸载作用,其弯矩的绝对值较同跨径的其他桥梁更小,并具有更大的桥下净空,因此显示出受力均匀、整体性好、节省材料,安全度高等优点。

而预应力混凝土连续梁桥则因其具有的刚度高、接缝少、行车舒适等优点,成为了连续梁桥的主要结构形式,目前我国很多跨度范围在30～350m内的桥梁,都是使用该方法设计建造的,但投入运营的近十年间,大跨径连续梁桥也暴露出了跨中挠度过大、腹板开裂变形等一系列质量问题,需要建设者在设计施工中给予充分的重视。

此外,由于墩台的不均匀沉降会引起超静定结构梁体各孔内力发生变化,因此连
续梁桥技术通常仅用在地基条件较好的大跨径桥梁项目中。

2 连续梁桥的结构设计计算
2.1 主梁截面计算
由于跨度的增加导致预应力混凝土连续梁桥结构自重占总设计荷载比重的增加,因此,大跨度桥梁在满足刚度需要的基础上,应尽可能减轻上部结构自重,并以较大的截面面积获得所需的有效承载能力。

设计中首先要考虑的问题,是连续主梁断面型式的优选,及根据实际情况确定其截面尺寸。

2.2 箱梁结构计算
大跨径预应力混凝土连续梁桥通常采用变高、变底板厚度的箱梁构造形式。

而通过曲线对比分析论证,可以得出梁底变化规律如下列二次抛物线形式:
Y=H跨中+BX2
其中H跨中为主流箱梁的跨中梁高;Y为所求点之梁高;X为所求点距坐标原点的距离;梁底曲线方程的坐标原点在单T最大悬臂段顶面末端。

箱梁底板同样按二次抛物线变化,箱梁纵向在主墩设横隔板两道,其位置与主墩侧壁相对应,以便在箱梁悬臂浇筑时,设置梁墩临时固结
构造。

主梁边跨部将顶、底板及腹板加厚,形成劲性框构,也起到端横隔的作用,为便于施工,各横隔板一般均设入孔。

2.3 预应力体系的优化布置
目前大跨径预应力混凝土箱梁桥体多采用悬臂法进行施工,并以成桥阶段的受力状态作为其预应力的布置依据。

纵向预应力配束方案设计则是参考荷载作用下的弯矩包络图,配置连续预应力束与腹板下弯束及顶板直线束等悬臂预应力束。

纵向预应力筋的布置要充分考虑截面的受力情况,以适当减少剪力滞的影响。

纵向预应力筋的布置应符合结构各部件的受力特点,如边孔的弯起预应力筋或连续预应力筋一般不宜取消。

对预应力钢束宜采用分散锚固,不能避免时应考虑集中锚固区局部应力,构造上必须予以加强。

3 预应力混凝土连续梁成桥合理状态分析
悬臂施工是将大跨度箱梁分为若干部分,先对桥墩两侧的某段箱梁进行施工,待其达到设计强度后,再以此段结构作为支撑,按多个施工阶段进行悬臂拼装或悬臂浇筑的施工方法,该法可以通过对桥体应力分析的直接影响,达到施工阶段最不受力的状态。

设计中应以施工及使用阶段的应力包络组合作为约束条件,按施工实际步骤对全梁进行前进分析,以形成施工中控制截面点、附加荷载点等位置的应力包络,并结合材料特性、几何特性、有限元模型及预应力索位因素等计
算出最优预应力索数,以得到满足强度要求的配索结果。

应特别注意的是,由于预应力效应引起的收缩、徐变的应力重分布,可能使估索结果无法满足强度要求或偏离实际的优化结果,因此在施工图设计阶段确定成桥合理内力状态时,应将收缩、徐变等时效影响计算在内,并将施工分为单T施工、体系转换以及成桥状态等三个阶段,以得到最终的综合优化结构。

单T状态的结构受力是以支点负弯矩为主,索力规整时又增大了预应力张拉力,故最优索力一般都满足单T施工各阶段的强度要求。

而体系转换后,则应将单T施工结束时的实际应力状态作为初态,与体系转换引起的结构应力进行叠加,形成一个新的结构控制截面应力向量。

计算应力影响矩阵时,应注意到与索力增量向量相应的预应力影响向量,必须用单T结构模式计算;体系转换后张拉的预应力影响向量必须用体系转换后的结构模式计算。

全桥合拢后,一般需要张拉连续索,此时结构应满足营运阶段应力的约束条件,这一阶段的索力优化可仿照体系转换阶段的索力优化方法进行。

通过以上三步计算,不仅可以得到最优的预应力索布置,而且还可以得到各施工阶段结构的受力状态。

4 设计中应注意的问题
为提高桥梁的稳定性与耐久性,还应在设计中注意下列问题。

4.1 材料的选择
研究表明,混凝土强度等级的提高对其抗压强度的提高作用并不明显,因此提高一至两个混凝土等级对提高桥梁结构整体抗裂性的帮助不大。

但如能在工程中通过选用轻质混凝土,达到比降低顶底板或腹板厚度更好的减轻桥体重量的效果,从而增大箱梁的相对截面尺寸,就会使大跨径桥体更加稳定。

此外,应选择收缩徐变系数小的混凝土降低其变异程度对桥梁使用期的内部作用。

而优选施工方案,对施工工艺加以有效控制,也能减小温度、预应力损失及收缩徐变对桥梁的不利影响。

4.2 对腹板斜裂缝的控制
腹板下弯束对抵抗主拉应力的作用明显,是抑制腹板斜裂缝的重要手段,但由于其产生的径向拉应力与腹板横向拉应力的共同作用又可能导致斜裂缝的出现,因此应在满足桥体强度的情况下,合理减少配束的数量,并通过设置腹板箍筋,抑制腹板斜裂缝的出现。

竖向预应力损失也会使混凝土承受的主拉应力增大,因此应考虑到各项导致预应力损失的因素而进行设计调整。

此外,箱梁开裂常常伴随着剪切变形等其他质量问题,对长期挠度影响很大,因此应通过合理增大腹板厚度等方式提高其抗裂性和承剪能力,抑制裂缝与形变耦合效应对箱梁的损害。

参考文献
[1] 何庭国,袁明,陈列,等.福厦铁路跨越乌龙江长联大跨连续梁桥设计[J].桥梁建设,2008(4).
[2] 赵铁永,陈尧三.预应力混凝土连续梁桥的设计[J].中国高新技术企业,2007(16).
[3] 马宁.大跨径预应力混凝土连续梁桥设计分析[J].辽宁省交通高等专科学校学报,2009(2).
[4] 姜扬剑,李亮亮.大跨径连续梁腹板下弯束与腹板斜裂缝探讨[J].公路交通技术,2009(5).。