[转贴]：连续刚构结构设计中一些问题的考虑

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连续刚构结构设计中一些问题的考虑

（四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 成都 610041 eMail:wycad@163.com）
摘要：考虑以前修建的一些连续刚构存在一些病害，我们对这些病害作了详细的分析后，有针对性地作了加厚腹板、增加竖向预应力、顶板束下弯、改变竖向预应力张拉顺序、增加边跨合龙段二期束、改善施工工艺、适当减小边中跨比等一系列措施，并在作结构计算时，将各项不利因素考虑足够。
关键字：连续刚构设计

前言
目前连续刚构以其跨越能力大、经济的优势广泛运用于公路、城市桥梁，其中一些桥梁也出现各种各样的病害，以下以西攀高速公路金江金沙江大桥的设计为例，分析探讨连续刚构桥的结构设计、计算。
一、已建成同类桥梁的比较
1、江津长江大桥
主桥桥跨布置为140+240+140米三跨一联的预应力混凝土连续刚构桥。
主梁采用单箱单室，C50砼，箱宽11.5米，翼板悬臂5.25米，全宽22米。箱梁高度采用2次抛物线方式从箱梁根部高13.5米变化至端部及跨中高4米。箱梁底板厚度采用2次抛物线方式从箱梁根部厚120厘米变化至端部及跨中厚32厘米。箱梁腹板厚度从根部节段80厘米变化到跨中节段65厘米。
纵向预应力钢束布束采用直束形式；即：纵向预应力钢束基本上锚固于箱梁顶部没有下弯。
竖向预应力根部采用双排、跨中段单排JL32精轧螺纹粗钢筋，纵向间距50厘米。
2、黄石长江大桥
主桥桥跨布置为162.5+3×245+162.5米5跨一联的预应力混凝土连续刚构桥。
主梁采用单箱单室，C55砼，箱宽10米，翼板悬臂4.8米，全宽19.6米。箱梁高度采用2次抛物线方式从箱梁根部高13米变化至端部及跨中高4.1米。箱梁底板厚度采用3次抛物线方式从箱梁根部厚135厘米变化至端部及跨中厚32厘米。箱梁腹板厚度从根部节段80厘米变化到跨中节段65厘米。
纵向预应力钢束布束采用直束形式。
竖向预应力根部采用双排、跨中段采用单排JL32精轧螺纹粗钢筋，纵向间距50厘米。
3、泸州长江二桥
主桥主跨252米，边跨150米，为3跨一联的预应力混凝土连续刚构桥。
主梁采用单箱单室，C60砼，箱宽13米，翼板悬臂6米，全宽25米。箱梁高度采用1.75次抛物线方式从箱梁根部高14米变化至端部及跨中高4米。箱梁底板厚度采用2次抛物线方式从箱梁根部厚110厘米变化至端部及跨中厚32厘米。箱梁腹板厚度从根部节段70厘米变化到四分段60厘米及跨中节段50厘米。
纵向预应力钢束布束采用直束形式。
竖向预应力根部采用双排、跨中段采用单排JL32精轧螺纹粗钢筋，纵向间距40厘米。
4、澳大利亚门道桥
主桥为主跨260米的预应力混凝土连续刚构桥。
主梁采用单箱单室，箱总宽21.93米。箱梁根部高15.68米、跨中高5.2米。箱梁腹板厚度从根部节段75厘米变化到跨中段65厘米。
5、虎门辅航道桥
主桥桥跨布置为150+270+150米3跨一联的预应力混凝土连续刚构桥。
主梁采用单箱单室，C55砼，箱宽7米，翼板悬臂4米，全宽15米。箱梁根部高14米、跨中高5米。箱梁根部底板厚130厘米变化至端部及跨中厚32厘米。箱梁腹板厚度从根部节段60厘米变化到跨中段40厘米。
纵向预应力钢束布束采用直束形式。
竖向预应力采用JL32精轧螺纹粗钢筋，纵向间距50厘米。
6、拟建的金江金沙江大桥：
主桥桥跨布置为155+275+155米三跨一联的预应力混凝土连续刚构桥，主墩为双薄壁柔性墩，主桥全长585米。
主梁采用单箱单室，C65砼，三向预应力，箱宽13.5米，翼板悬臂6米，全宽25.5米。箱梁根部梁高16.5米，端部及跨中梁高5.4米，箱梁高度采用1.65次抛物线。箱梁底板厚度采用3次抛物线方式从箱梁根部厚160厘米变化至端部及跨中厚36厘米。箱梁腹板厚度从2.0米、2.55米节段90厘米变化到3米节段75厘米再变化至4.2米节段的65厘米。
纵向预应力钢束采用фj15.24－30钢束，每节段均有两束钢束下弯到截面中心附近以提供预剪力。竖向预应力均采用双排JL32精轧螺纹粗钢筋，纵向间距45厘米。
二、本桥设计时的考虑
近年来修建的大跨连续刚构桥中，有一些出现了病害，主要表现为：腹板出现斜裂缝，边跨端部上缘出现横向裂缝，中跨跨中下挠过大。
在对这些病害进行分析的基础上，我们在设计金江金沙江大桥时采取了以下措施：
1、以前一些桥梁的计算模式是：桥梁收缩徐变完成后的恒载＋活载＋温度等组合产生的应力来控制设计，实际上某些截面的应力值不是由收缩徐变完成时的各项应力值之和控制，这种计算模式将造成在桥梁修建或建成后某一时段内一些截面应力值超过预期值而出现病害。
连续刚构主要技术指标比较表
项目 江津
长江大桥 黄石
长江大桥 泸州
长江二桥 澳大利亚
门道桥 虎门
辅航道桥 本桥
275m方案
主跨跨径L 240 245 252 260 270 275
边跨/中跨 0.583 0.663 0.595 0.556 0.564
桥宽B 22.0 19.6 25.0 21.9 15.0 25.5
主梁砼标号 C50 C55 C60 * C55 C65
纵向束形式 直束 直束 直束 * 直束 弯束
竖向束排数 根部2排
跨中1排 根部2排
跨中1排 根部2排
跨中1排 * * 根部2排
跨中2排
竖向束纵向间距 0.50 0.50 0.40 * 0.50 0.45
根部梁高H1 13.5 13.0 14.0 15.7 14.8 16.5
H1/L 1/17.8 1/18.9 1/18.0 1/16.6 1/18.2 1/16.7
跨中梁高H2 4.0 4.1 4.0 5.2 5.0 5.4
H2/L 1/60.0 1/59.8 1/63.0 1/50.0 1/54.0 1/50.9

本桥结构计算采用应力包络方式进行验算。即桥梁节段施工、合龙后、加载二期恒载、活载、收缩徐变、温度等各个阶段及其组合计算出的最大应力值均控制在合理的范围内，包含了整个施工期、运营期的应力极值。
同时本桥在作应力验算时均考虑有效翼缘宽度的折减问题。
2、适当减小边、中跨比
经计算比较发现适当减小边、中跨比可以降低边跨现浇段的剪力，从而减小此段的主拉应力。本桥采用的边、中跨比为0.564或0.569，与虎门辅航道桥接近，比泸州二桥、江津长江大桥、黄石长江大桥都小。
3、保证足够的结构几何尺寸
高、跨比是影响主梁受力状态的主要参数，适当增加梁高，可增加主梁刚度，改善主梁应力状态。分析上述各桥，本桥采用了根部1/16.7、跨中1/50.9或1/49.0的高跨比。此数值与澳大利亚门道桥基本相同，比上述其它各桥均大。
4、箱梁温度应力的考虑
由于连续刚构为超静定结构，温度将对结构产生非常大的影响，因此合理的温度取值对结构的安全性非常重要。
金江金沙江大桥桥位处属亚热带干燥型河谷气候，干、湿季节分明，经详细查阅气象统计资料，本桥设计时体系温差按升温、降温18度考虑。
箱梁非线性温差对箱梁应力影响很大，很多桥梁由于非线性温差取值偏小而引起应力储备不足，导致箱梁开裂。以前的设计在考虑非线性温度时，由于桥规中未作具体规定，因而很多采用T梁的计算模式取为5度，查阅一些资料表明，采用T梁计算模式的温度取值远较实际的非线性温差小。
经过对美国、英国BS5400、新西兰、新铁规作比较，认为BS5400规范中的规定较适合攀枝花的实际情况，因此本桥非线性温度采用BS5400规范进行计算，非线性升温最大值13.5度、非线性降温最大值－8.4度。以主跨275米方案为例，在作方案计算时，原箱梁跨中梁高为4.5m，非线性温差采用5度，计算通过；当采用BS5400规定计算时，箱梁跨中高度增加到了5.4m，跨中下缘拉应力才控制在合理的范围内。
5、增加边跨现浇段合龙二期束
非线性温差及活载将在边跨现浇段上缘产生较大的拉应力，很多桥梁由于未考虑足够的非线性温差致使上缘出现较大拉应力而产生箱梁开裂；本桥针对这一现象，在边跨上缘增加边跨现浇段合龙二期束，获得合理的应力储备。
6、改善竖向预应力钢筋的布置
江津、黄石、泸州等桥采用了根部区段2排、跨中区段1排的布置方式。以黄石桥为例，根部区段腹板厚80cm布置2排、跨中区段腹板厚65cm布置1排竖向预应力钢筋。
对于较窄的腹板，本来由于腹板宽度小，剪应力相对较大，而竖向预应力又少一半，使得主拉应力进一步加大。特别是在腹板宽度变化处这一问题更加突出。
新桥规（送审稿）中规定，考虑到竖向预应力在施工时有困难、质量不能保证，对竖向预应力的效应打了6折。
因此本桥设计时考虑到竖向预应力可靠性、箱梁抗剪需要，对全桥长度内每侧腹板均布置2排竖向预应力钢筋，同时对竖向预应力的效应打了6折，使得主拉应力不至于由于施工等因素造成实际值与设计值偏差较大而造成箱梁腹板开裂。
7、竖向预应力筋的张拉顺序
在悬臂浇筑的连续刚构桥中，常规施工顺序一般为：移动挂篮、立模、绑扎钢筋、浇筑块件混凝土、养生、张拉纵、横、竖三向预应力筋。也就是说，浇筑完一个节段的混凝土后，就马上张拉了本节段的横向、竖向预应力筋。对这种施工顺序，可称为“常规张拉顺序”。
建立有限元模型对“常规张拉顺序”施工过程进行模拟分析，可以得到以下结论：悬浇节段的混凝土永存预压力呈锯齿状分布，分布极不均匀，在梁高5～15米、节段长2～4米的范围内，悬浇节段的最大效应为标准值的126%～145%，最小效应为58%～75%；合龙节段本身的永存预压力明显小于相邻的悬浇节段，其最小效应只有基准值的57%，同时，相邻悬浇节段的永存预压力也小于其他的悬浇节段。可见“常规张拉顺序”施工过程将造成某些截面无足够的竖向预应力而造成实际产生的主拉应力远大于设计值。
改善永存预压力分布状态的最好方法是“滞后张拉”，即：张拉的预应力筋离节段端部或合龙段有足够的一段距离。对大多数情况而言，滞后张拉长度越长，偏差越小。
为了保证混凝土上的永存预压力分布较为均匀，与标准值的偏差较小，本桥将采用“滞后张拉”的施工方案。由于本桥的纵向预应力索在每个节段都下弯，可以保证在施工过程中，“滞后张拉”的区段上的主拉应力较小。
8、改善纵向预应力钢束的布置方式
自黄石大桥、虎门大桥以来，很多连续刚构均采用了直束的布置方式，即纵向预应力钢束基本上锚固于箱梁顶部而没有下弯。
根据材料力学主拉应力的计算公式σl=(σx+σy)-√(σx-σy)2+τ2，令σl＝0可推导出σxσy＝τ2，可见适当调整箱梁正应力σx及竖向应力σy可控制主拉应力的产生，这也就是连续刚构采用直束布置的理论依据。该布束形式成立的前提是竖向预应力必须可靠，然而根据第6、7条的论述可知，竖向预应力往往不能达到设计预期的工作性能。
如果采用直束布置形式，也采用第6、7条的措施，箱梁悬浇过程中将产生非常大的主拉应力从而在施工过程中产生箱梁开裂。
本桥采用了钢束下弯到箱梁截面中心附近以提供较大的预剪力，使得腹板的主拉应力有很大的改善。
9、跨中预拱度值的设置
收缩徐变对挠度的影响很大，目前还无法准确计算，因此适当加大设置跨中预拱度值，确保成桥使用阶段主桥线型。
10、设计计算
本桥的抗震设计按50年超越概率10％进行强度验算，按50年超越概率2％进行延性验算，引入延性抗震设计思想。

alan2002

好文章，有一定实践参考意义

laogao

经典!谢谢您!

小浩

很好，可知道了有关钢构的一些知识。多谢了。

hamstel

很有实际的学习作用

gxcqfyhu

太高深了

fqw111

参考一下

wycad

http://wycad.blog.163.com/