大跨径连续刚构桥设计和施工中几个问题的讨论

1、大跨径连续刚构桥设计和施工中几个问题的讨论报告人：杜进生北京交通大学桥梁工程系 主要内容1 连续刚构桥的变形和开裂2 不同合拢方案对变形及内力的影响3 主梁施工超方及桥面铺装超厚对变形的影响4 如何有效施加竖向预应力5 桥墩变形对主梁线形的影响6 刚构桥的“零弯矩设计理论”7 箱梁截面的不均匀收缩徐变问题8 小结施工设计1 连续刚构桥的变形和开裂造价相对较低；施工简易快捷；建筑高度小，适应能力强；维护费用少。是200m跨径以内的主力桥型。连续刚构桥建成后出现开裂及变形过大的问题： 车辆行驶舒适性破坏桥梁景观效果桥梁安全性180座主要预应力混凝土箱梁桥裂缝统计：变形不仅仅是下挠，伴随某些跨的下挠

2、，另一些跨会发生上拱。黄石长江公路大桥跨中下挠，最大已达到33.5cm，当然同时出现大量的主拉应力斜裂缝与跨中区段横向裂缝。虎门大桥辅航道桥跨中下挠，02年22cm，远超过原设计预留值10cm。最近由于横向裂缝朝腹板发展，下挠值又增大到26cm。湖北钟祥汉江大桥因下挠和开裂等严重病害而拆除重建佛开高速的潭洲大桥科巴桥该桥建成于1977年，跨径为 53.6+240.8+53.6m。到建成后第18年，即1995年，该桥跨中一共下挠了 120cm。瑞士VSL公司于1995年对科巴桥进行加固。1996年9月也就是加固工作结束后3个月，整个科巴桥在没有任何预兆的情况下突然全部垮入江中。 美国 Parro

3、tts Ferry 桥99+195+99 带铰刚构 中跨下挠 达63.5 cm 美国西北大学 Bazant 教授希望收集到中国的变形数据从施工方面来说 ：不能片面强调缩短施工周期早期混凝土弹性模量的增长明显滞后于强度的增长，添加早剂后，混凝土虽很快达到规定强度要求，但其弹性模量往往仅达到设计值的70%甚至更小。早期加载，使混凝土徐变增大。由公路涵设计规范中的混凝土徐变系数终极值梁体下挠可见，3天加载与7天加载比较，徐变系数终极值增加15%20%。不同施工合拢方案对变形及内力的影响主梁施工超方及桥面铺装超厚对变形的影响如何有效施加竖向预应力合拢2 不同施工合拢方案对变形及内力的影响 泾河大桥立面

4、意图（单位：m）泾河大桥立面示意图泾河大桥合拢方案研究效果图泾河大桥合拢方案研究 泾河大桥立面意图（单位：m）多跨连续刚构桥合拢的一般步骤：T构构分段连续形成全桥泾河大桥共有7个合拢段（2m），拟定5种常见方案进行对比分析：T构图方案1：边跨次边跨次中跨中跨边跨边跨次中跨次中跨次边跨次边跨中跨方案2：中跨次中跨次边跨边跨边跨边跨次中跨次中跨次边跨次边跨中跨方案3：边跨次中跨次边跨中跨。从两侧向中间先静定“小合拢”形成构，再进行超静定“大合拢”。边跨边跨次中跨次中跨次边跨次边跨中跨方案4：次中跨边跨次边跨中跨。从中间向两边先静定“小合拢”，再进行超静定“大合拢”边跨边跨次中跨次中跨次边跨次边跨中

5、跨方案5：次边跨次中跨边跨中跨。边跨边跨次中跨次中跨次边跨次边跨中跨 有限元分析采用Midas有限元软件对5种合拢方案的成桥状态进行模拟分析，有限元模型见下图。有限元模型不同方案主梁线形比较主梁累计竖向位移图阶段方案1方案2方案3号方案4方案5成桥-20.7-66.0-17.5-17.0-19.2成桥10年-43.8-94.0-36.5-36.7-41.8主梁累计最大下挠值（单位：mm）方案3、方案4竖向下挠值较小，线形较平顺，优于其他方案不同合拢方案的主梁线形比较主梁累计最大上拱值（单位：mm）阶段方案1方案2方案3号方案4方案5成桥54.30.259.059.546.5成桥10年40.7-

6、1.446.447.132.5墩顶水平位移比较 墩顶最大水平位移绝对值方案1方案2方案3号方案4方案52829183331墩顶最大水平位移值（单位：mm）方案3最大水平位移最小，并且各墩变形较均匀，优于其他方案合拢成桥墩顶水平位移主梁应力比较主梁上缘应力（压应力）分布主梁上缘应力 主梁下缘应力主梁下缘应力（压应力）分布不同合拢方案对主梁应力影响不明显墩底内力比较710号墩墩底剪力值分布图8 墩底剪力图图9 墩底弯矩图710号墩墩底弯矩分布其中方案3，墩底产生的剪力和弯矩较小，且各墩墩底受力相对均匀，单从墩底受力角度考虑，方案3最为合理。通过对主梁线形、墩顶位移、主梁应力、墩底内力对比分析，泾河

7、大桥合拢采用方案3（边跨、次中跨、次边跨、中跨的合龙顺序）最为合理。设计方和施工方将方案3定为最终合龙方案。边跨边跨次中跨次中跨次边跨次边跨中跨成桥后内力和变形预测按照设计施工过程进行有限元建模，对方案3下成桥内力和变形进行预测 主梁应力 墩底内力 主梁线形 墩顶位移主梁上缘应力-0.4MPa-11.8MPa主梁下缘应力-1.4MPa-10.7MPa在恒载作用下，主梁上缘产生最小压应力为0.4MPa，最大压应力为11.8 MPa；主梁下缘最小压应力为1.4 MPa，最大压应力为10.7MPa梁体全截面受压，未出现拉应力。返回桥墩号7号8号9号10号轴力(kN)-56824.9-53929-52

8、659.6-54406.3剪力(kN)-10.7-171.9231.8-56.4弯矩(kNm)-422.6-6529.88248.7-1131.5最大应力(MPa)-2.9-3.3-3.4-2.9最小应力(MPa)-2.7-2.3-2.0-2.5桥墩墩底内力墩底全截面受压，未产生拉应力返回成桥主梁竖向位移最大下挠值为-17.1mm-17.1mm最大上拱值为61.8mm 61.8mm成桥10年主梁竖向位移返回最大下挠值为-38.3mm最大上拱值为45mm -38.3mm45mm墩顶顺桥向水平位移7号墩墩顶位移由向左的-1.6mm变为向右的77mm，变化值为78.6mm10号墩由向右的3mm变为向

9、左的-51.5mm，变化值为54.5mm 桥墩号7号8号9号10号成桥位移(mm)-1.6-19.021.23.010年后位移(mm)77.014.810.6-51.53 主梁施工超方及桥面铺装超厚对变形的影响桥涵施工规范规定, 桥梁结构断面尺寸允许有5误差，桥面铺装厚度允许超厚L/5000(7000) 弹性挠度小，徐变挠度必然也小因此要设法减小弹性挠度。某主跨230m的大桥，分析结构超方5，同时桥面铺装调平层超方10、20、30、50和100对于跨中挠度的影响，超方对跨中点挠度的影响：超方情况结构超方5弹性挠度徐变挠度调平层超方10%18-34.0调平层超方20%15.5-35.8调平层超方

10、30%13.2-37.9调平层超方50%8.5-41.9调平层超方100%-3-52.5在原结构基础上，考虑不同情况超方后跨中的挠度，从中可看出，原设计弹性挠度向上，超方使结构产生向下的挠度，当结构超方5，调平层超方100时，弹性挠度已有原来的向上18mm，下降为向下3mm，即下挠21mm。从表中还可以看出，超方不仅影响弹性挠度，同时对徐变挠度影响更大。 补救措施?泾河桥超方后 弹性挠度泾河桥超方后 徐变挠度超方情况结构超方5二期铺装(kN/m)弹性挠度(mm)徐变挠度(mm)无超方73.2-30.6-39.5铺装层超方10%77.79-49.8-74.3铺装层超方20%82.48-53.4-

11、80.8铺装层超方40%91.86-60.7-93.7铺装层超方100%110.62-75.2-119.6泾河桥超方后 弹性和徐变挠度对比4 如何有效施加竖向预应力竖向预应力不足是预应力箱梁腹板出现斜裂缝的主要原因之一。精轧螺纹钢锚固体系存在以下不足：（1）张拉应力低，伸长量小；（2）刚性索，施工稍有偏差，螺母就拧不到位；（3）张拉控制应力高，易断筋，难更换。湖南大学：5m长的钢绞线经二次张拉后，回缩损失由24降为5，预应力效率至少是精轧螺纹钢的2倍。梁高3m的4米长节段混凝土箱梁两种预应力体系等应力时造价比较32mm 精扎螺纹钢筋 9955.2 元钢绞线 6793.4 元刚构墩身建成后相当长

12、时间，才建墩上梁的0号块。由于墩身横向收缩已大部分完成，而0号块横向收缩受到墩身约束导致底板中部出现裂缝。所有存在龄期差的混凝土结合面，都有因收缩差而出现纵向裂缝的风险。因此，节段浇筑时间间隔不要过长，截面配筋要考虑收缩影响。超载特别是超重车轴荷载的作用，对横向的影响比纵向更大，这是因为纵向弯矩自重绝占大部分；而横向弯矩主要由活载引起，轴重超过规范时，易出现顶板下缘的纵向裂缝。裂缝成因之一：日照作用下腹板内侧拉应力可达2MPa汽车活载对长期挠度的影响分析对于长期作用在桥梁上的汽车活载，在计算中给予适当的折减，取两车道进行计算。计算20年时间活载效应产生的长期徐变挠度。泾河桥 活载效应造成的弹性

13、挠度最大值为4.1cm，长期徐变挠度增量为4.7cm。苏通桥 活载产生的弹性挠度为6.1cm，除去活载弹性挠度的影响，活载效应造成的长期徐变挠度增量为5.3cm 桥墩变形对主梁线形的影响墩高不同截面尺寸不同竖向弹性变形不同位置不同竖向徐变变形不同变形差桥墩竖向变形差对主梁线形的影响包括两部分。第一，桥墩竖向位移将直接引起墩顶处梁端的竖向下移，这将使每跨主梁线形产生线形变化。第二，桥墩竖向变形使得主梁产生附加内力，进而使得主梁产生间接变形。泾河桥成桥20年由桥墩变形引起的主梁直接和间接变形直接变形要大于间接变形泾河桥成桥20年由桥墩变形引起的主梁总变形见下图：合拢成桥20年后引起主梁最大下挠（长

14、期）最大值为33.3mm。沿截面高度的压应力分布梯度对结构变形的影响沿截面高度的压应力分布梯度对结构变形的影响应控制负弯矩区域截面的应力梯度内支点底板厚度宜不小于跨径的1/140。传统预应力配束观点以强度为目标进行控制设计，选择成桥后运营状态为基本图式（即一次落架图式），通过运营状态的内力包络图，按保留一定压应力储备原则来设计梁体内的预应力索。为了使施工中梁顶面的标高符合设计线形，通常设置一定的预拱度。在双悬臂施工中，梁的安装标高还要根据分块施工预应力大小以及梁段标高实测情况，通过工程控制计算来确定。对大于150m 梁桥箱梁中按“零弯矩”配索设计在实际中很难办到，故需找新径。 “零弯矩”观点以

15、挠度为控制目标，由于不设预拱度桥梁线型始终不变。根据林同炎教授提出的荷载平衡概念，假如用预应力产生的弯矩平衡自重产生的弯矩，这样在预应力和自重作用下结构将处于轴向受压状态，结构在混凝土长期收缩和徐变作用下，只会发生轴向变形，而不会发生弯曲下挠。从理论上讲，设计时只要保证结构在预应力和自重作用下，每个截面弯矩为零，那么建造时就可以不设置预抛高。这样有利于施工控制。 采用恒载零弯矩理论分阶段配置预应力钢束具体做法是：在悬臂阶段，按照结构零弯矩要求设计悬臂静定束。使单个T构仅受轴向压力作用。然后根据结构合拢顺序，设计后期束，满足正常使用阶段应力要求。对于采用悬臂浇注法施工的梁桥，由于每个节段混凝土龄

16、期有差异，预应力损失难以精确计算。很难保证每个截面弯矩都为零。但是，可以根据恒载零弯矩理论配束，使每个截面在恒载作用下总弯矩较小，这样挠度和徐变内力均较小，有利于工程控制。箱梁截面不均匀收缩徐变研究均匀收缩不均匀收缩轴向变形，无截面转动混凝土板，干缩率大致与板厚度的平方成反比轴向变形，截面转动箱梁截面不均匀收缩徐变研究不同板厚的板收缩变形随时间的发展薄板收缩速度快于厚板混凝土300天、1000天、10000天 0.3m的板收缩应变为1.3m的板收缩应变的4.1倍、3.8倍、2.3倍箱梁截面不均匀收缩徐变研究板厚对徐变系数的影响板厚从0.31.3m变化，徐变系数相差很小箱梁截面不均匀收缩徐变研究箱梁节段分析收缩后保持平截面梁单元实现降温 不均匀收缩效应可以等效为梯度温度荷载在梁单元中实现顶板厚度0.3m，不同底板厚度截面曲率随时间的发展截面曲率先增大后减小不均匀收缩对主梁挠度影响主梁竖向变形值主梁累计最大上拱值（mm）主梁累计最大下挠值（mm）板厚(m)1年2年4年10年20年均匀收缩5.84.83.30.38-2.7不均匀收缩21.725.728