梁高对大跨PC刚构桥跨中挠度的影响分析

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摘要:目前大跨PC梁桥普遍存在的问题是跨中持续下挠和箱梁开裂,文章以容桂水道特大桥(跨径为108.85+185*2+115.5m)为工程背景,通过改变跨中梁高,分析了梁高对控制跨中挠度的影响,以期对相关施工提供参考。

关键词:连续刚构桥;跨中挠度;收缩徐变;预应力砼;梁高

中图分类号:U448文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0194-02

连续刚构桥既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点,又保持了T型刚构不设支座、不需体系转换的优点,经济指标上也有优势,所以从1988年以来修建了大量的该类型的桥,但是在使用的过程中,一些问题也逐渐凸显出来,普遍存在跨中持续下挠的问题。跨径66m+120m+66m的广东南海金沙大桥通车6年,跨中下挠22cm;跨径150m+270m+160m的虎门大桥航道大桥通车6年,跨中下挠22.2cm;跨径162.5m+3x240m+162.5m的黄石大桥通车7年,跨中最大下挠达30.5cm。连续刚构桥后期的持续挠度过大不但会使跨中主梁下凹,破坏桥面铺装层,影响桥梁的使用寿命行车的舒适,甚至危及高速行车的安全。所以跨中下挠成为当前制约大跨径连续刚构桥发展的一个急需解决的问题。

影响跨中持续下挠的因素很多,如预应力损失、结构刚度、梁段超重、砼的收缩徐变等,本文仅从结构刚度(梁高)着手,分析不同的跨中梁高对跨中挠度的影响。

一、问题的提出

大跨径连续梁桥的梁高度,一般取支座梁高Dk=L/(18～20),在文献[6]还认为Dk高度有降低的趋势,而跨中梁高一般Ds=Dk/3。我们认为按此原则所确定的梁高变化曲线,在大跨径中偏矮,从而造成截面抗弯刚度不足,这是导致P.C梁桥跨中持续下挠的重要原因之一。

1.在文献[7]介绍了位于贵州至三板溪水电站库的南盂溪大桥,为跨越南孟溪河的一座特大桥梁,桥梁全长271.10m,其中主桥为一跨预应力混凝土变截面连续刚构,跨径组合为(75+120+75)m。主墩柱处梁高Dk=7.5m,合龙段梁高Ds=2.8m。通过改变跨中附近L/5、L/4、L/3截面梁高改为墩顶处截面梁高的1/2(3.75m),10年的挠度分别比原设计降低21.22%、37.20%、35.65%,可见加大梁高,加大惯性矩I,增大预应力索的力臂,加大预应力弯矩MT等综合作用从而能大幅度减少P.C铁路连续梁的挠度。

2.据铁路系统工程师介绍,他们所修建的铁路连续梁桥在二年后的竣工验收时,普遍出现跨中上翘的现象,需要将钢轨道渣扒掉一些,通过降低高度将跨中上翘量消除。这种与公路连续持续下挠截然相反的事实,使我们认识到跨中梁高选择是控制P.C.连续梁的关键技术,对公路桥梁有关梁高确定的原则需要重新认识。

二、梁高与预应力弯矩MT关系

1.预应力弯矩MT=∑TiZi

式中:Zi――预应力索至中性轴的距离,与梁高D成比例关系;Ti――预应力张拉力,由钢绞线根数以及管道的各种损失大小决定。

目前国内最多索数为31Ф15.24,因此所得到每孔最大张拉力T0=0.75×260×31=6045(kN/孔)。每孔使用索力T=(0.7～0.8)R0 =4231～4836(kN)。当结构外形尺寸已知,按预应力管道构造要求所能布置的预应力孔道数量m也是一定的,这样总轴向力∑T也是已知的。

2.预应力设计的原则。务使梁内存弯矩差最小。由Me=MT- Mg =0,得MT=Mg。但在特大跨径(L≥200m)桥梁,悬臂施工中往往MT

3.当 Mg和Ti都已知的情况下 唯有加大梁高D才能使中性轴加大,同时造成力臂Z的加大,才能加大MT,来平衡Mg。可以说加大梁高不单纯是提高抗弯刚度EI,更重要是通过加大力臂增大MT。

三、梁高确定的原则

梁高不是按经验数据确定的,而是保证减少恒载挠度的一种最重要的手段。

1.跨中梁高Ds,一般为支座Dk/3的观点,已不能满足连续梁跨中零挠度的需要。通过对南盂溪大桥跨中粱高研究分析启示和我们对多座桥梁的分析及比较,都论证了跨中梁高Ds必须提高到Dk/2为好。跨中梁高不够,使所有的工作都十分被动,预应力钢索用量大、徐变挠度控制不了。江西省交通设计院设计的泰和赣江大桥,跨径L=155m,支座梁高Dk=8.5m,跨中梁高果断选择Ds=Dk/2=4m,这就是观念转变的明证。

2.支座的梁高Dk,一般为跨径L的(1/18-1/20)的经验适用于LMT的结果,由于弯矩比η=MT/Mg

四、工程实例

1.容桂水道特大桥工程概况。容桂水道特大桥位于广州至珠海(含中山至江门)城际快速轨道,主桥横向采用单箱型式,纵向为三跨预应力混凝土变高度直腹板刚构,主桥跨径布置为:108.85+185x2+115.5m。设计荷载为轻轨,桥面铺装为无渣轻轨。上部结构采用挂篮悬臂浇筑施上部箱梁采用C60混凝土,纵向、横向预应力钢束采用标准强度1860MPa钢绞线,竖向预应力筋采用标准强度750MPa、直径32mm高强精轧螺纹钢,箱梁顶板宽11.6m,底板宽9m。梁高在主墩处为11m,在主跨跨中为5.5m,梁高按照1.8次抛物线变化。箱梁底板厚度自跨中50cm按二次抛物线变化至根部120cm,箱梁顶板厚度为60cm,腹板厚度在跨中为50cm,主墩处为140cm。

2.分析模型的建立。采用桥梁博士V3.0建立结构模型,模拟实际施工过程进行计算。全桥共199个单元,其中1～157为箱梁单元,158～186为桥墩单元,187～199为挂篮单元,共划分为76个施工过程。结构计算模型如图1所示:

预应力钢束管道摩阻系数μ=0.23,局部偏差系数k=0.0025,钢束锚固时弹性回缩变形为12mm,相对湿度为0.8。桥梁博士计算表明,成桥时跨中挠度为-4.91cm,10年徐变后跨中挠度为-5.36cm。

当前连续刚构跨径在150 ～300 m范围内时,结构自身产生的弯矩占总弯矩的70%～90%,有效承载力仅为10%～30%,大部分承载力被结构的自重所消耗。因此,为了减轻自重,设计人员在规范允许的情况下,尽量减小梁的高度,箱梁根部梁高甚至由原来的L/18发展到L/20,以此来增加连续刚构的跨越能力,但是这样设计的同时也使梁的整体刚度有所下降,进而导致跨中下挠。为了研究箱梁刚度对跨中挠度的影响,下面通过改变跨中梁高的大小来分析随着梁高的改变(刚度的变化)跨中挠度的变化。

从计算结果可以看出,按照现在普遍对于大跨刚构桥的跨中截面梁高的取值范围为1/54～1/60的跨径,即185m的跨径跨中梁高约为3.5m,此时成桥挠度为-12.4cm,比原设计增加了152.55%(7.49cm),三年徐变挠度增加226.92%(11.8cm),而当跨中梁高增加到6m时,成桥挠度减少39.31%(1.93cm),三年徐变也减少39.23%(2.04cm),可见该桥的跨中梁高的选择还是比较合理的。

五、结语

通过本文对粱高改变的分析,揭示出粱高对大跨梁桥的跨中挠度的影响是显著的,以容桂水道特大桥为例,跨中梁高由5.5m变为3.5m,此时成桥挠度为-12.4cm,比原设计增加了152.55%(7.49cm),三年徐变挠度增加226.92%(11.8cm),而当跨中梁高增加到6m时,成桥挠度减少39.31%(1.93cm),三年徐变也减少39.23%(2.04cm),所以对于大跨梁桥的长期跨中挠度控制问题,可以从梁高方面去考虑。

参考文献

[1]戴竞.我国预应力混凝土公路桥的发展与现状[J].土木工程学报,1997,(6).

[2]杨高中,等.连续刚构桥在我国的应用和发展[J].公路,1998.

[3]张继尧,王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民出版社,2004.

[4]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2000.

[5]阮欣,石雪飞.大跨径预应力混凝土梁桥施工控制的现状与展望[J].公路交通科技,2004.

[6]楼庄鸿.现有预应力混凝土梁式桥的缺陷[C].2003年全国桥梁学术会议论文集,2003.

[7]戴玉明.大跨梁桥跨中挠度控制措施[D].华东交通大学硕士论文,2007.

作者简介:戴玉明(1981-),男,江西南昌人,广州公路勘察设计有限公司助理工程师,硕士研究生,研究方向:大跨梁桥跨中挠度控制;上官兴(1939-),男,江西南昌人,华东交通大学教授,硕士生导师,国家级桥梁专家。