臨時斜拉索控制橋梁下?lián)系男聵?gòu)思.doc

精品論文推薦臨時斜拉索控制橋梁下?lián)系男聵?gòu)思戴玉明 1 ，上官興 1，郭圣棟 21 華東交通大學，江西南昌 (330013)2 江西省交通設計院，江西南昌 (330012)e-mail：moyu_12163.com摘要：連續(xù)梁橋普遍存在的跨中長期下?lián)系闹饕蚴穷A應力設計與施工實際的不符。本文經(jīng)過 詳盡分析提出連續(xù)梁用臨時斜拉索輔助合攏，以工藝手段來實現(xiàn)合攏時恒載零彎矩和主梁零撓度，從而最有效地減少徐變撓度來實現(xiàn)連續(xù)梁跨中長期下?lián)系目刂?。關鍵詞：零彎矩；零撓度；連續(xù)梁；彎距差1. 問題的提出我國不少預應力連續(xù)梁橋在通車運營近七、八年后都相繼出現(xiàn)跨中持續(xù)下?lián)系默F(xiàn)象。據(jù)不完全 統(tǒng)計 200m 以內(nèi)橋跨下?lián)纤俣?10-20（/年），200m 以上橋跨 20-30（/年）,最大者已達 32 ,并 相繼發(fā)現(xiàn)跨中大量裂縫。這些嚴重質(zhì)量問題震撼了橋梁界，引起了大家的關注。多年來討論了諸多 因素，但都不見奏效，其原因是在設計理念這個禁區(qū)中深入研究者甚少。設計是工程的靈魂，連續(xù) 梁橋如此多的問題普遍 出現(xiàn)，使我們有理由對傳統(tǒng)設計的一些方法進行反思。當前在下?lián)系某梢?問題理論上一時得不到統(tǒng)一，為什么不可以另劈新徑，從工藝角度來突破這個難點呢？2. 連梁分階段撓度1）雙懸臂施工狀態(tài)：通常按成橋狀態(tài)連續(xù)梁的總彎矩的包絡圖來配置預應力，因此設計預應 力彎矩(mt)往往小于箱梁自重（g。）懸臂施工彎矩(m0)，兩者之差(me1)稱為恒載初始彎矩。me在雙懸臂梁中產(chǎn)生初始撓度 f0 = (me1 m ds /ej) （1）式中： m 0 單位荷載作用在懸臂梁前端時 各截面上的彎矩。me1m0mt 梁各截面的抗彎剛度(eji)。2）連續(xù)梁合攏后：結(jié)構(gòu)圖式由雙懸臂體系轉(zhuǎn)換成連續(xù)梁（剛構(gòu)）體系。初始彎矩差(me)在連續(xù)梁跨中產(chǎn)生撓度 f1 = (me1 m ds /ej) （2）二期 恒載 g2（橋面系）在連續(xù)梁產(chǎn)生跨中撓度 f2 = (m2 m ds /ej)（3）恒載跨中總撓度fg= f0+ f1 +f2（4） g = f g / 0.5l-6-大跨徑梁中 0 占主要成分。如果轉(zhuǎn)角用表示,則g= 0+ 1 +2 （5）3 ）砼 徐變 發(fā)生 后： 梁軸 線將 沿著 恒載 的 總 轉(zhuǎn) 角 g 下 撓 。所產(chǎn) 生的 徐變 撓度 ft=(1+t )fg = (1+t )0.5lg（6）式中：t 砼徐變系數(shù)，一般在(23)范圍內(nèi)。由（6）式可見，梁橋運營后砼徐變的下?lián)现?ft 與梁 修建時恒載撓度 fg 以及總轉(zhuǎn)角g 值成正比。而總轉(zhuǎn)角g 中主要成分又是合攏前的初始轉(zhuǎn)角 0,因 此只要抓住影響橋梁長期下?lián)现T多因素中初始撓度 0 這個主要矛盾，問題就能迎刃而解。在學習文 獻 1中早已明確指出了這種零彎矩的設計理念后推論，如果在橋梁修建所有過程中（一期懸臂 梁，二期連續(xù)梁），設計都能有意識地用不同的預應力手段，使它產(chǎn)生的預應力彎矩 mt 逐項抵消 不同階段的恒載彎矩 mg，那么就能保證在 t 時間（1030 年）內(nèi)，梁橋砼徐變所產(chǎn)生的持續(xù)下?lián)?值 ft 最小。3. “預拱度法”的問題1)預拱度：預拱度是目前最常用的消除下?lián)系姆椒ā＜磳⒘旱南聯(lián)现?f 反方向加在箱梁上， 使梁面有一個抬高量 ，這個預抬高 稱“預拱度”。除掛籃、模板等施工設備所產(chǎn)生的變形另外計 算外，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的總預拱度 分別由初始撓度 f0（箱梁在懸臂施工中合攏初始的懸臂撓度）；f1（me 在連續(xù)梁上的撓度）；f2（橋面系二期恒載在連續(xù)梁中撓度）；fp（考慮到使梁在運營狀態(tài)時也能保持部分設計線形所設置的一半活載撓度）和砼徐變 ft（恒載不變砼內(nèi)水分揮發(fā)產(chǎn)生塑性變形） 組成。連續(xù)梁總拱度= f0+ f1+ f2+ fp+ ft（7）其中合攏前初始撓度 f0 占總撓度f 的主要部分，因此它是我們研究的重點。2) 轉(zhuǎn)角 ，如圖 1：，上下合攏前的跨中初始撓度 f0 按上抬 0 形成的預拱度和自然下?lián)?f0 兩者所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角 上和 下方向都是相同，數(shù)量也是相等的。這也就是說“預拱度法”不能消除初始轉(zhuǎn)角 0。3)存在問題：從力的平衡觀點分析，“預拱度”僅是改變模板的標高,來控制梁面高程,并沒有改變 梁內(nèi)不平衡彎矩(me=mg-mt)的存在,所以也就沒有消除初始轉(zhuǎn)角 0。當砼徐變發(fā)生后連續(xù)梁將繼續(xù)沿 初始轉(zhuǎn)角 0 方向下?lián)?。因此可以說使用預拱度法是造成運營后產(chǎn)生持續(xù)下?lián)系脑蛩凇ＵJ為 只要多設預抬高量就能解決砼徐變下?lián)系挠^念是錯誤的。實際上，預拱度愈大將來持續(xù)下?lián)弦簿陀?多。預拱度法的作用僅僅在于調(diào)整橋梁線型符合設計要求。它是一種被動行為，而且很難計算 準確，并造成工程控制的復雜化。解決橋梁長期下?lián)蠁栴}的關鍵在于要協(xié)調(diào)設計與施工關系。設計 要主動用預應力手段產(chǎn)生的正彎矩 mt 來抵消懸臂施工中所發(fā)生的負彎矩 mg,而不僅僅賴“預拱度法” 來調(diào)整標高。4. 減少初始撓度的措施1)原理：為了減少合攏前初始撓度 f0 可以采用結(jié)構(gòu)和施工兩種手段。其原理都是增大預應力彎 矩 mt，使它逼近懸臂梁自重彎矩 mg?，F(xiàn)令兩者比值為 =mt/ mg。1即 mt1即 mt mg，me=mg-mt 為正值合攏時跨中上翹。此種情況與“預拱度法”上抬有本質(zhì) 不同，它屬于力學性質(zhì)的反拱,所產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)角能有效減少砼徐變下?lián)稀?)結(jié)構(gòu)措施：增加箱梁上緣預應力索的數(shù)量，可以使 接近 1。該方法在我國以 1990 年廣東佛山石南大橋（現(xiàn)澆 135m 連續(xù)剛構(gòu)）2和 1992 年湖南湘潭湘江大橋（懸拼 690m 連續(xù)梁）為最早兩 座大橋3。其后4 5 6 7 8陸續(xù)報道廣東、福建、江西等省均有 1 的工程實例，它們都取得合攏方便和成橋后長期撓度也較小的好效果。最早的廣東石南大橋（135m）通車十三年實測跨中下?lián)?ft=30（），僅相當于跨徑的 1/4500 的事實充分證明合攏前實現(xiàn)主梁恒載零彎矩是控制連續(xù)梁橋長 期下?lián)系囊粋€極好方法。3)施工措施：當跨徑 l 增大時，由于自重彎矩(mg=gl2/8)與跨徑 l 的平方成正比，mg 絕對值增 長極快，而箱梁受結(jié)構(gòu)尺寸限制，增多預應力索數(shù)有限，因此設計很難做到 1。在6 7提出一個 用臨時斜拉索在合攏前增加正彎矩 ms 來輔助合攏的方法。在8中又進一步補充荊涂大橋示例。這 些工作充分說明了：按照一次成橋內(nèi)力配置預應力設計如果配合臨時斜拉索的施工手段，也可以十 分有效地控制梁橋跨中長期下?lián)稀Ｏ旅娣謹⑷鶚蛄旱木唧w做法。5. 廣東威遠港口橋：如圖 2彎距值 m :354x10 (kn .m)t30 tt sg25上緣預應力彎距 m 箱梁自重彎距mg 臨時斜拉索彎距 ms臨時斜拉索輔助后總彎距20mt= mt+mg0#10#13# 0#總彎距與自重彎距之比=15mt/ mg10#10單位：mt5截 面 號0123 4567891011 12 13圖 2 100m 連續(xù)梁橋合攏1）橋型： 橋型為（65+100+65+2x40=310m）預應力連續(xù)梁。橋?qū)挒?28m，雙單箱單室截面。 本橋設計按常規(guī)的方法進行預應力配束，所得上緣預應力彎矩 mt=236,310（kn.m），箱梁自重懸 臂彎矩的 mg=266,900（kn.m）, 彎矩比 =0.88，因此產(chǎn)生彎矩差 me=-30590（kn.m）。在懸臂端 發(fā)生初始撓度撓 f0=65（mm），相當（l/1538）?？紤]到工程已開工，來不及按恒載零彎矩理 念修改設計。因此設計單位提出采用臨時斜拉索輔助合攏來進行工程控制。2）臨時斜拉索： 在臨時支點處的橫隔梁上，豎立 9m 高的 1m 鋼管塔柱。其頂部設置兩側(cè)均 有錨孔的鋼帽梁，用帶熱擠 pe 索套的無粘結(jié)預應力鋼絞線 43j15 做斜拉索。前端固定在 10#箱梁 頂面的型鋼上。張拉采用 yc-30 小型千斤頂，用“分次分束循環(huán)張拉方式”收緊斜拉索。每根索力 t=400t。這樣合攏時跨中不但不下?lián)?，反而上翹 8 ，所以可以不設預拱度。箱梁施工控制始終以 梁面標高為準，用斜拉索千斤頂收緊和放松來控制標高。6. 安徽荊涂大橋：如圖 3100 彎距 m: x 1 04 (k n.m )95 90 85 80 m t =mt75 70 65 60 55 50 + m st上緣預應力彎距 m 箱梁自重彎距mg臨時斜拉索彎距 ms 塔 高 塔 高臨時斜拉索輔助后總彎距 45 mt= mt+mg單位：m40 總彎距與自重彎距之比=35 30 mt/ mg25 20 15 10 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 截面號 圖 3 160m 連續(xù)梁橋合攏1）原設計：淮河荊涂大橋位于蚌埠市懷遠縣， 主橋橋長 350m（95+160+95）連續(xù)剛構(gòu)橋。 橋?qū)?b=23m，設計荷載汽超-20，掛車-120 驗算（人行道 21.5）荷載 3.5kn/。上部結(jié)構(gòu)采用掛籃 懸澆施工，橋面厚度 15 。單幅箱梁頂板寬 11.45m、底版寬 6m，梁高由支座 8m 變至跨中 3m。 箱梁頂板厚 25 ,腹板厚度 50/80 。縱向分 24 節(jié)段（長 2.54m）。預應力按常規(guī)成橋狀態(tài)包絡 圖設計，頂板束采用 4615.2424，腹板下彎束采用 2815.2416 鋼絞線。在最大懸臂狀態(tài) 1#17#截面都出現(xiàn)負彎矩，合攏時跨中下?lián)?9.2 三年后徐變-11.5 。為了改善懸臂施工中不利狀況， 采用臨時斜拉索作方案比較。2）設置臨時斜拉索：在 0#塊設置鋼管塔架（高 15m）斜拉索安裝在負、正彎矩變換點 17#截 面上。當張拉索力 s=480t 時，能使 0#6#截面的總彎矩 m 均為正彎矩，7#17#節(jié)段 me 值減小。 斜拉索采用 2pes15-19 鋼絞線。（1）斜拉索產(chǎn)生彎矩：ms=sz,式中斜拉索索力 s，z 為截面中性軸至拉索的距離。合攏前預 應力總彎矩mt= mt +mg +ms。(2)撓度：采用臨時斜拉索輔助合攏，跨中初始撓度由下?lián)?f0=-9.2 變成上翹 f0=1.3 ，合攏 前初始轉(zhuǎn)角發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。3）效果： 合攏澆筑砼后,雖然將斜拉索拆除后在跨中會產(chǎn)生下?lián)?4.8 ,但是同時張拉跨中下緣 應力又使跨中上翹；到完成橋面澆筑時，跨中仍然上拱 0.9 ?？梢婎A應力系常規(guī)一次落架設計情 況，也只要配合臨時斜拉索的施工措施，同樣能實現(xiàn)合攏前彎矩比 1 來基本消除初始轉(zhuǎn)角 0，使 將來砼徐變所產(chǎn)生的長期下?lián)蠟樽钚≈怠?. 蘇通長江大橋：如圖 4立面圖墩頂側(cè)面t圖 4蘇通大橋連續(xù)剛構(gòu)用臨時斜拉索輔助施工圖(5 0 0彎 距 m : x 10 4 kn.m)4 0 03 0 0預應力彎距m 箱梁自重彎距mg 預應力彎距與自重彎距比 =m / mt g臨時斜拉索彎距ms臨時斜拉索輔助后總彎距 mt= mt+mg2 0 0總彎距與自重彎距比1 0 01 2 3 4 5 6 7 8 91 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1截 面 號圖 5 蘇通大橋連續(xù)剛構(gòu)合攏1）預拱度：蘇通大橋系目前在建的最大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋。在設計和施工過程中做了大量分析、 研究工作，綜合采用了多種措施來防止可能發(fā)生的斜裂縫和跨中下?lián)?。例如，箱梁預應力按一次落 架連續(xù)梁恒載零彎矩設計；配置了體外索以及采用高性能混凝土等。但由于懸臂施工長度(a=134m) 過長，所引起的支點懸臂彎矩 mg 高達-386104（kn.m），遠大于上緣預應力彎矩 mt =-335104（kn.m）。此時彎矩比 = mt / mg =0.78，在合攏時梁內(nèi)存彎矩高達 me = -51104（kn.m），將產(chǎn)生跨中下?lián)?f0=-132 。合攏后體系轉(zhuǎn)換 f1=-35 ，二期恒載（橋面系）又下?lián)?f2=-72 ；張拉下緣預應力上拱 f3=+48 ；30 年砼徐變梁跨中下?lián)?f4=-186 。總計跨下?lián)现?i = 0f i = 3 3 7（相當于跨徑 268m 的 1/1406），即預拱度高達 =380 。其中合攏前的初始撓度 f0 占總預拱度的 35%， 它是一個主要矛盾。2）臨時斜拉索輔助合攏：在 0#塊箱梁（12m 長）上架設萬能桿件塔柱（高 34m）。將三對斜 拉索分別錨在 14#，18#和 26#箱塊上方用豎向預應力錨固的縱向工字鋼梁上。斜拉索采用 22515.24鋼絞線，兩根索力 s=650t。通過臨時斜拉索（相當于箱梁體外上緣預應力索）的張拉，跨中合攏時初始撓度上翹 f0=+162 。與原跨中下?lián)现档拥玫?30 年后跨中長期下?lián)?f =-377+162=-215 ， 可見臨時斜拉索的顯著效果。由于上翹 f0=-132 在合攏前已經(jīng)消除了初始轉(zhuǎn)角 0，這樣致使 30 年 后梁的砼徐變撓度值將會降低一半以上，所以設置的預拱度 絕對值可降低在 150 左右，達到十 分理想的狀態(tài)。這種用預應力作為施工手段的主動措施，能避免跨中過大的抬高和過大的下?lián)希@ 然這是一種技術進步和創(chuàng)新。3）彎矩比：原設計合攏前的各截面彎矩比 = mt / mg 都小于 1，所以下?lián)袭a(chǎn)生的初始轉(zhuǎn)角 0 是不可避免的。采用斜拉索輔助合攏后 =（mt /mg）1，基本消除了初始轉(zhuǎn)角 0，從源頭上減少 了砼徐變沿轉(zhuǎn)角 0 產(chǎn)生長期下?lián)?。應當指出采用臨時斜拉索才是真正意義上的力學預抬高法。8. 小結(jié)通過上述三座大橋采用斜拉索輔助合攏構(gòu)思的討論，促進了我們對連續(xù)梁橋傳統(tǒng)設計方法的反 思和檢討。呼吁本文觀點能得到橋梁界同仁的支持和指正。參考文獻1 范立礎 預應力連續(xù)梁橋（1998）人民交通出版社2 林繼喬 羅青石南大橋上部設計工藝 1991 年中南公路工程（總 59 期）3 吳同鰲 上官興 90m 連續(xù)梁千斤頂懸拼95 年全國橋梁會議論文集 4 劉桂生 懸臂施工連續(xù)梁分階段預應力設計1996 年廣東公路測設 5 阮欣 石雪飛 大跨梁橋施工控制現(xiàn)狀及展望 公路交通科技 2004.11 期6 張憬 侯爵 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