临时斜拉索控制桥梁下挠的新构思.doc

精品论文推荐临时斜拉索控制桥梁下挠的新构思戴玉明 1 ，上官兴 1，郭圣栋 21 华东交通大学，江西南昌 (330013)2 江西省交通设计院，江西南昌 (330012)e-mail：moyu_12163.com摘要：连续梁桥普遍存在的跨中长期下挠的主要原因是预应力设计与施工实际的不符。本文经过 详尽分析提出连续梁用临时斜拉索辅助合拢，以工艺手段来实现合拢时恒载零弯矩和主梁零挠度，从而最有效地减少徐变挠度来实现连续梁跨中长期下挠的控制。关键词：零弯矩；零挠度；连续梁；弯距差1. 问题的提出我国不少预应力连续梁桥在通车运营近七、八年后都相继出现跨中持续下挠的现象。据不完全 统计 200m 以内桥跨下挠速度 10-20（/年），200m 以上桥跨 20-30（/年）,最大者已达 32 ,并 相继发现跨中大量裂缝。这些严重质量问题震撼了桥梁界，引起了大家的关注。多年来讨论了诸多 因素，但都不见奏效，其原因是在设计理念这个禁区中深入研究者甚少。设计是工程的灵魂，连续 梁桥如此多的问题普遍 出现，使我们有理由对传统设计的一些方法进行反思。当前在下挠的成因 问题理论上一时得不到统一，为什么不可以另劈新径，从工艺角度来突破这个难点呢？2. 连梁分阶段挠度1）双悬臂施工状态：通常按成桥状态连续梁的总弯矩的包络图来配置预应力，因此设计预应 力弯矩(mt)往往小于箱梁自重（g。）悬臂施工弯矩(m0)，两者之差(me1)称为恒载初始弯矩。me在双悬臂梁中产生初始挠度 f0 = (me1 m ds /ej) （1）式中： m 0 单位荷载作用在悬臂梁前端时 各截面上的弯矩。me1m0mt 梁各截面的抗弯刚度(eji)。2）连续梁合拢后：结构图式由双悬臂体系转换成连续梁（刚构）体系。初始弯矩差(me)在连续梁跨中产生挠度 f1 = (me1 m ds /ej) （2）二期 恒载 g2（桥面系）在连续梁产生跨中挠度 f2 = (m2 m ds /ej)（3）恒载跨中总挠度fg= f0+ f1 +f2（4） g = f g / 0.5l-6-大跨径梁中 0 占主要成分。如果转角用表示,则g= 0+ 1 +2 （5）3 ）砼 徐变 发生 后： 梁轴 线将 沿着 恒载 的 总 转 角 g 下 挠 。所产 生的 徐变 挠度 ft=(1+t )fg = (1+t )0.5lg（6）式中：t 砼徐变系数，一般在(23)范围内。由（6）式可见，梁桥运营后砼徐变的下挠值 ft 与梁 修建时恒载挠度 fg 以及总转角g 值成正比。而总转角g 中主要成分又是合拢前的初始转角 0,因 此只要抓住影响桥梁长期下挠诸多因素中初始挠度 0 这个主要矛盾，问题就能迎刃而解。在学习文 献 1中早已明确指出了这种零弯矩的设计理念后推论，如果在桥梁修建所有过程中（一期悬臂 梁，二期连续梁），设计都能有意识地用不同的预应力手段，使它产生的预应力弯矩 mt 逐项抵消 不同阶段的恒载弯矩 mg，那么就能保证在 t 时间（1030 年）内，梁桥砼徐变所产生的持续下挠 值 ft 最小。3. “预拱度法”的问题1)预拱度：预拱度是目前最常用的消除下挠的方法。即将梁的下挠值 f 反方向加在箱梁上， 使梁面有一个抬高量 ，这个预抬高 称“预拱度”。除挂篮、模板等施工设备所产生的变形另外计 算外，连续梁结构的总预拱度 分别由初始挠度 f0（箱梁在悬臂施工中合拢初始的悬臂挠度）；f1（me 在连续梁上的挠度）；f2（桥面系二期恒载在连续梁中挠度）；fp（考虑到使梁在运营状态时也能保持部分设计线形所设置的一半活载挠度）和砼徐变 ft（恒载不变砼内水分挥发产生塑性变形） 组成。连续梁总拱度= f0+ f1+ f2+ fp+ ft（7）其中合拢前初始挠度 f0 占总挠度f 的主要部分，因此它是我们研究的重点。2) 转角 ，如图 1：，上下合拢前的跨中初始挠度 f0 按上抬 0 形成的预拱度和自然下挠 f0 两者所产生的转角 上和 下方向都是相同，数量也是相等的。这也就是说“预拱度法”不能消除初始转角 0。3)存在问题：从力的平衡观点分析，“预拱度”仅是改变模板的标高,来控制梁面高程,并没有改变 梁内不平衡弯矩(me=mg-mt)的存在,所以也就没有消除初始转角 0。当砼徐变发生后连续梁将继续沿 初始转角 0 方向下挠。因此可以说使用预拱度法是造成运营后产生持续下挠的原因所在。认为 只要多设预抬高量就能解决砼徐变下挠的观念是错误的。实际上，预拱度愈大将来持续下挠也就愈 多。预拱度法的作用仅仅在于调整桥梁线型符合设计要求。它是一种被动行为，而且很难计算 准确，并造成工程控制的复杂化。解决桥梁长期下挠问题的关键在于要协调设计与施工关系。设计 要主动用预应力手段产生的正弯矩 mt 来抵消悬臂施工中所发生的负弯矩 mg,而不仅仅赖“预拱度法” 来调整标高。4. 减少初始挠度的措施1)原理：为了减少合拢前初始挠度 f0 可以采用结构和施工两种手段。其原理都是增大预应力弯 矩 mt，使它逼近悬臂梁自重弯矩 mg。现令两者比值为 =mt/ mg。1即 mt1即 mt mg，me=mg-mt 为正值合拢时跨中上翘。此种情况与“预拱度法”上抬有本质 不同，它属于力学性质的反拱,所产生的反向转角能有效减少砼徐变下挠。2)结构措施：增加箱梁上缘预应力索的数量，可以使 接近 1。该方法在我国以 1990 年广东佛山石南大桥（现浇 135m 连续刚构）2和 1992 年湖南湘潭湘江大桥（悬拼 690m 连续梁）为最早两 座大桥3。其后4 5 6 7 8陆续报道广东、福建、江西等省均有 1 的工程实例，它们都取得合拢方便和成桥后长期挠度也较小的好效果。最早的广东石南大桥（135m）通车十三年实测跨中下挠 ft=30（），仅相当于跨径的 1/4500 的事实充分证明合拢前实现主梁恒载零弯矩是控制连续梁桥长 期下挠的一个极好方法。3)施工措施：当跨径 l 增大时，由于自重弯矩(mg=gl2/8)与跨径 l 的平方成正比，mg 绝对值增 长极快，而箱梁受结构尺寸限制，增多预应力索数有限，因此设计很难做到 1。在6 7提出一个 用临时斜拉索在合拢前增加正弯矩 ms 来辅助合拢的方法。在8中又进一步补充荆涂大桥示例。这 些工作充分说明了：按照一次成桥内力配置预应力设计如果配合临时斜拉索的施工手段，也可以十 分有效地控制梁桥跨中长期下挠。下面分叙三座桥梁的具体做法。5. 广东威远港口桥：如图 2弯距值 m :354x10 (kn .m)t30 tt sg25上缘预应力弯距 m 箱梁自重弯距mg 临时斜拉索弯距 ms临时斜拉索辅助后总弯距20mt= mt+mg0#10#13# 0#总弯距与自重弯距之比=15mt/ mg10#10单位：mt5截 面 号0123 4567891011 12 13图 2 100m 连续梁桥合拢1）桥型： 桥型为（65+100+65+2x40=310m）预应力连续梁。桥宽为 28m，双单箱单室截面。 本桥设计按常规的方法进行预应力配束，所得上缘预应力弯矩 mt=236,310（kn.m），箱梁自重悬 臂弯矩的 mg=266,900（kn.m）, 弯矩比 =0.88，因此产生弯矩差 me=-30590（kn.m）。在悬臂端 发生初始挠度挠 f0=65（mm），相当（l/1538）。考虑到工程已开工，来不及按恒载零弯矩理 念修改设计。因此设计单位提出采用临时斜拉索辅助合拢来进行工程控制。2）临时斜拉索： 在临时支点处的横隔梁上，竖立 9m 高的 1m 钢管塔柱。其顶部设置两侧均 有锚孔的钢帽梁，用带热挤 pe 索套的无粘结预应力钢绞线 43j15 做斜拉索。前端固定在 10#箱梁 顶面的型钢上。张拉采用 yc-30 小型千斤顶，用“分次分束循环张拉方式”收紧斜拉索。每根索力 t=400t。这样合拢时跨中不但不下挠，反而上翘 8 ，所以可以不设预拱度。箱梁施工控制始终以 梁面标高为准，用斜拉索千斤顶收紧和放松来控制标高。6. 安徽荆涂大桥：如图 3100 弯距 m: x 1 04 (k n.m )95 90 85 80 m t =mt75 70 65 60 55 50 + m st上缘预应力弯距 m 箱梁自重弯距mg临时斜拉索弯距 ms 塔 高 塔 高临时斜拉索辅助后总弯距 45 mt= mt+mg单位：m40 总弯距与自重弯距之比=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 截面号 图 3 160m 连续梁桥合拢1）原设计：淮河荆涂大桥位于蚌埠市怀远县， 主桥桥长 350m（95+160+95）连续刚构桥。 桥宽 b=23m，设计荷载汽超-20，挂车-120 验算（人行道 21.5）荷载 3.5kn/。上部结构采用挂篮 悬浇施工，桥面厚度 15 。单幅箱梁顶板宽 11.45m、底版宽 6m，梁高由支座 8m 变至跨中 3m。 箱梁顶板厚 25 ,腹板厚度 50/80 。纵向分 24 节段（长 2.54m）。预应力按常规成桥状态包络 图设计，顶板束采用 4615.2424，腹板下弯束采用 2815.2416 钢绞线。在最大悬臂状态 1#17#截面都出现负弯矩，合拢时跨中下挠-9.2 三年后徐变-11.5 。为了改善悬臂施工中不利状况， 采用临时斜拉索作方案比较。2）设置临时斜拉索：在 0#块设置钢管塔架（高 15m）斜拉索安装在负、正弯矩变换点 17#截 面上。当张拉索力 s=480t 时，能使 0#6#截面的总弯矩 m 均为正弯矩，7#17#节段 me 值减小。 斜拉索采用 2pes15-19 钢绞线。（1）斜拉索产生弯矩：ms=sz,式中斜拉索索力 s，z 为截面中性轴至拉索的距离。合拢前预 应力总弯矩mt= mt +mg +ms。(2)挠度：采用临时斜拉索辅助合拢，跨中初始挠度由下挠 f0=-9.2 变成上翘 f0=1.3 ，合拢 前初始转角发生了逆转。3）效果： 合拢浇筑砼后,虽然将斜拉索拆除后在跨中会产生下挠-4.8 ,但是同时张拉跨中下缘 应力又使跨中上翘；到完成桥面浇筑时，跨中仍然上拱 0.9 。可见预应力系常规一次落架设计情 况，也只要配合临时斜拉索的施工措施，同样能实现合拢前弯矩比 1 来基本消除初始转角 0，使 将来砼徐变所产生的长期下挠为最小值。7. 苏通长江大桥：如图 4立面图墩顶侧面t图 4苏通大桥连续刚构用临时斜拉索辅助施工图(5 0 0弯 距 m : x 10 4 kn.m)4 0 03 0 0预应力弯距m 箱梁自重弯距mg 预应力弯距与自重弯距比 =m / mt g临时斜拉索弯距ms临时斜拉索辅助后总弯距 mt= mt+mg2 0 0总弯距与自重弯距比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 号图 5 苏通大桥连续刚构合拢1）预拱度：苏通大桥系目前在建的最大跨径连续刚构桥。在设计和施工过程中做了大量分析、 研究工作，综合采用了多种措施来防止可能发生的斜裂缝和跨中下挠。例如，箱梁预应力按一次落 架连续梁恒载零弯矩设计；配置了体外索以及采用高性能混凝土等。但由于悬臂施工长度(a=134m) 过长，所引起的支点悬臂弯矩 mg 高达-386104（kn.m），远大于上缘预应力弯矩 mt =-335104（kn.m）。此时弯矩比 = mt / mg =0.78，在合拢时梁内存弯矩高达 me = -51104（kn.m），将产生跨中下挠 f0=-132 。合拢后体系转换 f1=-35 ，二期恒载（桥面系）又下挠 f2=-72 ；张拉下缘预应力上拱 f3=+48 ；30 年砼徐变梁跨中下挠 f4=-186 。总计跨下挠值4i = 0f i = 3 3 7（相当于跨径 268m 的 1/1406），即预拱度高达 =380 。其中合拢前的初始挠度 f0 占总预拱度的 35%， 它是一个主要矛盾。2）临时斜拉索辅助合拢：在 0#块箱梁（12m 长）上架设万能杆件塔柱（高 34m）。将三对斜 拉索分别锚在 14#，18#和 26#箱块上方用竖向预应力锚固的纵向工字钢梁上。斜拉索采用 22515.24钢绞线，两根索力 s=650t。通过临时斜拉索（相当于箱梁体外上缘预应力索）的张拉，跨中合拢时初始挠度上翘 f0=+162 。与原跨中下挠值迭加得到 30 年后跨中长期下挠 f =-377+162=-215 ， 可见临时斜拉索的显著效果。由于上翘 f0=-132 在合拢前已经消除了初始转角 0，这样致使 30 年 后梁的砼徐变挠度值将会降低一半以上，所以设置的预拱度 绝对值可降低在 150 左右，达到十 分理想的状态。这种用预应力作为施工手段的主动措施，能避免跨中过大的抬高和过大的下挠，显 然这是一种技术进步和创新。3）弯矩比：原设计合拢前的各截面弯矩比 = mt / mg 都小于 1，所以下挠产生的初始转角 0 是不可避免的。采用斜拉索辅助合拢后 =（mt /mg）1，基本消除了初始转角 0，从源头上减少 了砼徐变沿转角 0 产生长期下挠。应当指出采用临时斜拉索才是真正意义上的力学预抬高法。8. 小结通过上述三座大桥采用斜拉索辅助合拢构思的讨论，促进了我们对连续梁桥传统设计方法的反 思和检讨。呼吁本文观点能得到桥梁界同仁的支持和指正。参考文献1 范立础 预应力连续梁桥（1998）人民交通出版社2 林继乔 罗青石南大桥上部设计工艺 1991 年中南公路工程（总 59 期）3 吴同鳌 上官兴 90m 连续梁千斤顶悬拼95 年全国桥梁会议论文集 4 刘桂生 悬臂施工连续梁分阶段预应力设计1996 年广东公路测设 5 阮欣 石雪飞 大跨梁桥施工控制现状及展望 公路交通科技 2004.11 期6 张憬 侯爵 上官兴控制大跨梁桥长期下挠的新技术2004 年公路桥梁云南会议7 熊利华 郭圣栋 上官兴等 大跨梁桥持续下挠成因及控制措施公路运输文摘桥梁05 年 8 月8 王法武大跨预制砼梁桥长期挠度控制研究 同济大学硕士论文 2006 年 3 月the new conception of controling the beam deflection byinstalling the provisional obliguel staydai yuming1, shangguan xing1, guo shengdong21 school of civil engineering,east china jiaotong univer