（市政工程专业论文）大跨度预应力混凝土梁桥挠度控制研究.pdf

大跨度预应力混凝土梁桥挠度控制研究 摘要 本文主要围绕目前大跨度预应力混凝土梁桥广泛存在的跨中下挠过大问 题，首先对大跨度预应力混凝土梁桥的发展、特点和常见病害等进行了简要的 调查总结；其次结合三座不同跨径的连续梁和连续刚构桥，对不同跨径预应力 混凝土梁桥的结构特征、内力和竖向位移进行比较，分析大跨度预应力混凝土 梁桥结构特征、内力状况和桥梁挠度之间的内在规律；然后对预应力大小、结 构自重、箱梁刚度、混凝土的徐变和收缩、梁段加载龄期以及多因素综合效应 等影响桥梁挠度的敏感性因素进行调整计算，分析以上各因素对桥梁挠度的影 响规律和程度，总结造成大跨度预应力混凝土梁桥挠度尤其是长期挠度过大的 各种可能原因；最后重点对顶板束挠度控制方案、跨中底板束挠度控制方案、 减轻桥梁上部自重的挠度控制方案、斜拉索挠度控制方案以及基于上述各方案 而形成的组合挠度控制方案进行了分析比较，以期为该类桥梁的设计和施工提 供合理的建议。 关键词：大跨度梁桥，挠度控制，项板束，底板束，恒载，斜拉索 s t u d yo nd e f l e c t i o nc o n t r o lo f l a r g e s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e rb r i d g e s a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys u r r o u n d e dt h ee x c e s s i v em i d s p a nl a gw h i c hw a sam a i n p r o b l e mo fl a r g e - s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e rb r i d g e sa tp r e s e n t ，m a k eab r i e f s u m m a r yo ft h es u r v e yo fd e v e l o p m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m m o nd i s e a s e so f l a r g e s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e rb r i d g e sa tf i r s t ；t h i sw a sf o l l o w e db yt h e c o m p a r i s o n so fs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，i n t e r n a lf o r c e sa n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t o fd i f f e r e n tl o n g - s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e r b r i d g e sa n dt h ea n a l y s e so f i n h e r e n tl a w sa m o n gt h o s ef a c t o r s ，w h i c ha i m e da tt h r e ed i f f e r e n tl o n g - s p a n c o n t i n u o u sb e a ma n dc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e s ；t h e np r e s t r e s s ，s e l f w e i g h to f s t r u c t u r e ，b o xg i r d e rr i g i d i t y , c o n c r e t ec r e e pa n ds h r i n k a g e ，f i r s tt i m el o a d i n ga g eo f b o xg i r d e rs e g m e n t sa n dc o m b i n e de f f e c to fm u l t i p l ef a c t o r sw e r es t u d i e dt o c o m p a r et h e i ri n f l u e n c e s o nd e f l e c t i o n ，a n dt h e ns u m m a r i z e dv a r i o u sp o s s i b l e c a u s e so fe x c e s s i v ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n te s p e c i a l l yl o n g - t e r me x c e s s i v ev e r t i c a l d i s p l a c e m e n to fl a r g e - s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e rb r i d g e s ；f i n a l l yf o c u s e do n t h es t u d yo fd e f l e c t i o nc o n t r o lp r o g r a m sw h i c hu s i n gt o ps l a bt e n d o n s ，b o t t o ms l a b t e n d o n s ，r e d u c i n gs e l f w e i g h to ft h eu p p e rs t r u c t u r eo ru s i n gc a b l e s ，a sw e l la s c o m b i n i n gp r o g r a m sb a s e do nt h ea b o v e m e n t i o n e dd e f l e c t i o nc o n t r o lp r o g r a m s ， w i t hah o p et oo f f e rr e a s o n a b l ep r o p o s a l sf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h o s e b r i d g e s k e yw o r d s ： l a r g e s p a ng i r d e rb r i d g e ，d e f l e c t i o nc o n t r o l ，t o p s l a b t e n d o n s ，b o t t o ms l a bt e n d o n s ，d e a d1 0 a d s ， c a b l e s i i 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 15 图2 16 图2 1 7 图2 18 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 1 图4 1 图4 2 图4 3 插图清单 悬臂浇筑施工法2 悬臂拼装施工法2 广西柳州大桥3 重庆长江大桥( t 形刚构公路桥) 3 虎门大桥辅航道桥主跨跨中桥面挠度变化速率图8 汾江大桥、潭州大桥的下挠时间曲线8 科罗巴岛桥倒塌后一9 底板分层劈裂事故9 新安江大桥箱梁横断面布置图1 4 新安江大桥主桥结构计算模型图1 6 新安江大桥在施工至最长悬臂状态时总弯矩效应图( 挂篮重取5 4 t ) 16 新安江大桥在中跨合拢及桥面铺装完成后的总弯矩效应图1 7 新安江大桥在各工况下的竖向变形图1 8 新安江大桥在各工况下的主梁正截面法向应力图1 9 临淮关淮河大桥箱梁横断面布置图2 0 临淮关淮河大桥结构计算模型图2 1 临淮关淮河大桥在最长悬臂状态时的总弯矩效应( 挂篮重取6 0 t ) 2 1 临淮关淮河大桥在中跨合拢及桥面铺装完成后的总弯矩效应图2 2 临淮关淮河大桥在各工况下的竖向变形图2 3 临淮关淮河大桥在各工况下的主梁正截面法向应力图2 5 金塘大桥箱梁横断面布置图2 6 金塘大桥结构计算模型图2 7 金塘大桥在最长悬臂状态弯矩效应图( 挂篮重取8 0 t ) 2 7 金塘大桥在中跨合拢及桥面铺装完成后的总弯矩效应图2 8 金塘大桥在各工况下的竖向变形图2 9 金塘大桥在各工况下的主梁正截面法向应力图3 0 最长悬臂状态( 不计挂篮) 下各桥的弯矩效应3 2 各桥相对于成桥状态的长期挠度发展情况( 计算值) 3 2 各桥成桥状态的弯矩效应图3 3 目前对下挠过大问题的两种处治策略4 7 临淮关淮河大桥项板束调整方案4 8 临淮关淮河大桥在最长悬臂状态及成桥状态总弯矩效应( 项板束调整 后) 4 8 v 图4 4临淮关淮河大桥顶板束调整后主跨最大下挠值变化曲线4 9 图4 5临淮关淮河大桥项板束调整后主跨最大相对下挠值变化曲线4 9 图4 6临淮关淮河大桥顶板束调整后在各工况下主梁正截面法向应力图5 0 图4 7金塘大桥顶板束调整方案1 5 0 图4 8金塘大桥项板束调整方案2 5 l 图4 - 9金塘大桥在最长悬臂状态及成桥状态总弯矩效应( 增加顶板束后) ：；1 图4 1 0 金塘大桥增加顶板束后主跨最大下挠值变化曲线一5 2 图4 1 1 金塘大桥增加顶板束后主跨最大相对下挠值变化曲线5 2 图4 1 2 金塘大桥项板束调整后在各工况下主梁正截面法向应力图5 3 图4 1 3 各桥主跨底板钢束布置示意图5 4 图4 1 4 各桥主跨最大下挠值和跨中底板钢绞线编束根数的关系图5 5 图4 1 5 各桥主梁截面应力和跨中底板钢绞线编束根数的关系图5 5 图4 1 6 单独增加不同位置的底板钢束对主跨最大下挠值的影响5 6 图4 1 7 跨中主梁自重减轻2 0 后各桥成桥竖向变形图一5 9 图4 1 8 跨中主梁自重减少2 0 时各桥持久状况主梁正截面法向应力图6 0 图4 1 9 各桥在采用轻桥面铺装后持久状况主梁正截面法向应力图一6 l 图4 2 0 斜拉索锚固点位置示意图6 2 图4 2 1 采用斜拉索后金塘大桥持久状况下主梁正截面法向应力图6 3 图4 2 2 方案2 下金塘大桥持久状况主梁正截面法向应力包络图6 4 图4 2 3 组合挠度控制方案下临淮关淮河大桥持久状况主梁正截面法向应力包 络图6 5 图4 2 4 组合挠度控制方案下金塘大桥持久状况主梁正截面法向应力包络图 6 7 v i 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表4 1 表4 2 表格清单 国内部分悬臂浇注预应力混凝土连续梁桥一览见表4 连续梁与连续刚构的受力特点对照比较5 本文分析研究的三座桥梁1 3 新安江大桥施工工况表1 5 各桥梁结构特征及材料用量指标表3 1 当所有钢束的有效预应力减少时各桥主跨位移及其变化情况3 5 当顶板钢束的有效预应力减少时各桥主跨位移及其变化情况3 6 当跨中底板合拢钢束的有效预应力减少时各桥主跨位移及其变化情况 ：；7 当恒载增加时各桥主跨位移及其变化情况3 8 主跨跨中附近混凝土弹性模量降低时各桥主跨位移及其变化情况3 9 混凝土的徐变收缩系数改变时各桥主跨位移及变化情况4 1 梁段加载龄期不同时各桥主跨最大位移及变化情况4 2 多因素综合效应影响下各桥主跨最大位移及变化情况4 3 在不同时期补张拉跨中底板束时各桥主跨位移及变化情况5 7 跨中附近范围内主梁自重减少时各桥主跨最大下挠值及其变化情况 ! i 9 表4 3 采用轻桥面铺装后各桥主跨最大下挠值及其变化情况6 1 表4 4 采用斜拉索后金塘大桥主跨最大下挠值及其变化情况6 2 表4 5 斜拉索张拉时机不同时金塘大桥主跨最大下挠值及其变化情况6 4 表4 6 组合挠度控制方案下临淮关淮河大桥主跨最大下挠值及其变化情况6 5 表4 7 组合挠度控制方案下金塘大桥主跨最大下挠值及其变化情况6 6 v i i 1 2 3 1 2 1 2 3 l l l乙互文孔乱 表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金理王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位做作者躲侄影缸 签字眺伊5 年，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 躲了趸够缸 签字日期：伊8 年1 月i1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 2 导师躲0 、 签字日期：p 旷年丸月1q 日 电话：i ) 72 ，町7o 邮编： 致谢 感谢合肥工大对我七年来的培养之恩，在毕业之际愿母校永远保持蒸 蒸日上的发展势头! 感谢导师杨成斌教授对我的谆谆教导和备至关怀，恩师渊博的学识、 严谨的态度、清晰的思路、务实的作风、豁达的性格以及翩翩的风度无不 在感染影响着我，时时给我前进的动力。在整个研究生学习阶段，导师不 仅在学业上给予我全面的指导，在平时生活做事上也对我作严格细致的要 求，使我懂得要能够在求学和做人、做事方面协调发展。借此机会，谨向 恩师表示最诚挚的谢意l 感谢以王胜斌院长为代表的安徽省公路勘测设计院桥梁分院所有领 导和员工在我实习期间给我的关心和指导! 在论文撰写的过程中，同济大学桥梁工程系石雪飞教授、凌知民副教 授、阮欣老师、李小祥、牛艳伟博士以及所有c i 教研室的同学们给予了我 极大的指导和帮助，在此，向他们表示我最真挚的谢意! 感谢师兄梅应华、梁长海、朱福春、蔡墩松、张应奎、孙之芜、姚运 昌等在学业和生活上对我的无私帮助，感谢同窗好友王剑、曹忠华、甘果、 赵祥煜、宋佳、张元连、武海英等伴随、促进着我的成长。 感谢父母的教养之恩，感谢女友对我全方位的大力支持! 挂一漏百， 在此一并向所有帮助过我的老师、朋友和亲人们表示由衷的感谢! 作者：侯世栋 2 0 0 8 年0 1 月 1 1 引言 第一章综述 为满足我国经济建设和社会全面协调发展的需要，我国的道路交通事业有 了空前的发展。在“十一五 期间，交通部将着手组织实施国家高速公路网规 划，到2 0 1 0 年，新建高速公路2 4 万公里，全国高速公路总里程达到6 5 万公 里。东部地区基本形成高速公路网，长江三角洲、珠江三角洲和京津冀地区形 成较完善的城际高速公路网，国家高速公路网骨架基本形成。， 随着交通事业的发展，道路将越来越多地需要跨越更多、更大、更险的障 碍，这使得桥梁建设事业也取得了辉煌的成果，各种结构新、跨径大、体系复 杂的桥梁不断地出现。及时总结桥梁建设经验，反思、解决桥梁建设中出现的 问题，是一项十分必要和重要的工作。 在上世纪6 0 年代，我国引进先进的悬臂施工法，建造了第一座t 型刚构桥， 开启了我国建造大跨度预应力混凝土梁桥的历史，为桥梁建设积累了新的经验。 随后我国开始运用悬臂施工法修建了众多的t 型刚构、连续梁、连续刚构及刚构 一连续组合梁体系等大跨度预应力混凝土梁桥( 据不完全统计，目前全国范围内 已建成跨径大于1 2 0m 的预应力混凝土梁桥近8 0 座；世界范围内，跨度大于2 4 0m 预应力混凝土梁桥共2 3 座，我国占1 3 座) 。悬臂施工法以及高强度预应力钢材、 高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系的研制开发和应用，极大地促进了大跨 度预应力混凝土梁桥的发展。但随着大跨度预应力混凝土梁桥被不断地广泛采 用，该类桥梁在施工和使用中也连续地暴露出各种问题( 长期挠度过大就是其 中之一) ，并且日益引起国内工程界的关注。 1 2 大跨度预应力混凝土梁桥的发展与特点 如上所述，大跨度预应力混凝土梁桥主要采用悬臂施工法进行施工，其发 展过程和悬臂施工法紧密相联。该类桥主要包括t 型刚构桥、连续梁桥、连续 刚构桥及刚构一连续组合梁桥等桥型。 1 2 1 悬臂施工法2 3 3 1 悬臂施工法是从桥墩开始对称地、不断悬出接长的施工方法。悬臂施工法 般分为悬臂浇筑施工法和悬臂拼装施工法，参见图卜l 和图卜2 。 悬臂浇筑施工法是在桥墩两侧对称逐段就地浇筑混凝土，待混凝土达到一 定强度后，张拉预应力筋，移动机具、模板继续循环施工的方法。其施工特点 是无须建立落地支架，无须大型起重与运输机具，主要设备是一对能行走的挂 篮。挂篮可在已经张拉锚固并与墩身连成整体的梁段上移动，绑扎钢筋、立模、 浇筑混凝土、预施应力都在挂篮上进行。完成本段施工后，挂篮对称向前各移 图卜1 悬臂浇筑施工法图卜2 悬臂拼装施t 法 动一节段，进行下一对梁段的施工，如此循序前进，直至悬臂梁段浇筑完成。 该施工方法特别适合于宽深河流和山谷、施工期水位变化频繁不宜水上作业以 及航运繁忙且施工时需留有较大净空等的河流上桥梁的施工。但悬臂浇筑施工 法在施工中也存在不足，比如：梁体部分不能与墩柱平行施工，施工周期较长， 而且悬臂浇筑的混凝土加载龄期一般较短，由于混凝土收缩和徐变产生的影响 较大。 悬臂拼装施工法则是将预制节段块件，从桥墩两侧依次对称安装，张拉预 应力筋，使悬臂不断接长，直至合拢。其施工特点是梁体的预制可与桥梁下部 构造施工同时进行，并行操作缩短了建桥工期：预制梁段的混凝土龄期比悬浇 成梁的长，从而减少了悬拼成梁后混凝土的收缩和徐变；预制场或工厂化的梁 段预制生产利于整体施工的质量控制等。其不足之处是：需要占用较大的预制 场地；运输与安装设备较多；而且预制需要有很高的精确度。 19 5 0 年，原联邦德国首次将悬臂浇筑施工法用于建造预应力混凝土桥梁， 即在巴尔杜茵斯坦( b a d u in s t e in ) 修建的兰荫( l a ir 1 ) 河桥，该桥跨度为6 2 m 。 并相继在19 5 3 年和19 5 4 年用此法分别建成主跨1 1 4 2m 的胡尔姆斯( w o r m s ) 和 科布伦茨( r o b l e r l z ) 两座大跨径t 型刚构桥。1 9 6 21 9 6 4 年法国又根据悬臂浇 筑施工法的原理，利用悬臂拼装施工法建成了跨径布置为3 4 8 m + 6 1 4 m + 3 4 8 m 的赛纳( s ein e ) 河桥。h 1 直到1 9 6 4 年原联邦德国建成了主跨2 0 8 m 的本道夫桥 ( b e n d o r fb r i d g e ) ，才真正突破了该类桥型的施工瓶颈，使得大跨度混凝土梁 桥体系在世界范围迅速发展。 悬臂施工法不需大量施工支架和临时设备，不影响桥下通航、通车，施工 不受季节、河道水位的影响，并能在大跨度桥上采用，因此得到了广泛的使用。 目前不仅用于悬臂体系桥梁的施工，而且还广泛应用于大跨度预应力混凝土连 续梁桥、预应力混凝土连续刚构桥、混凝土斜拉桥以及钢筋混凝土拱桥的施工， 是大跨度桥梁的主要施工方法之一。 1 2 2t 型刚构桥 预应力混凝土t 型刚构桥是在预应力混凝土箱梁桥的基础上，在运用悬臂 施工法的过程中产生的，有跨中带剪力铰和跨中带挂梁的两种形式。国外的t 形刚构桥跨中较多地采用带铰的形式。然而，由于跨中带铰，而且在建造中普 遍对混凝土的收缩徐变效应估计不足，再加上温度等因素的影响使结构在铰处 出现了明显折线变形状态，对高速行车十分不利。国内的t 型刚构桥主要采用 跨中带挂梁的形式。跨中带挂梁的t 型刚构桥与带铰的t 型刚构桥相比，是静 定结构，增加了牛腿构造，桥面上伸缩缝多，而且由于后期下挠较大等原因也 不利于高速行车。 我国早期修建的大跨度预应力混凝土梁桥基本都采用跨中带挂梁的t 型刚 构桥形式。这主要是因为跨中带挂梁的t 型刚构是静定结构，计算分析较简单； 墩与梁固结，无需大吨位支座；可以采用挂篮悬臂施工；也不需要体系转换等。 1 9 6 8 年建成的广西柳州大桥，主跨1 2 4 m ，是我国第一座跨径突破1 0 0 m 的预应 力混凝土梁桥( 如图卜3 所示) ；1 9 8 0 年建成的重庆长江大桥，主跨达l 7 4 m ， 是目前我国最大跨径的t 型刚构桥( 如图卜4 所示) 。目前世界上最大跨径的预 应力混凝土t 型刚构桥为阿根廷的p a r a g u a yr iv e r 桥，主跨2 7 0 m 。1 由于t 型刚构桥跨中需设剪力铰或者挂梁，接缝较多，容易造成牛腿处的 破坏，而且存在后期下挠过大，易形成折线，行车不顺适，冲击效应较大等致 命弱点，所以在上世纪8 0 年代以后，这种桥型已基本不再被采用了。 图1 3 广西柳州人桥图卜4 重庆长江大桥( t 彤刚构公路桥) 1 2 3 连续梁桥 连续梁桥结构体系具有梁高小、结构刚度好、整体性强、温度应力小、桥 面接缝少、行车平顺舒适、便于养护以及抗震能力强等优点。 预应力混凝土连续梁桥在我国始建于2 0 世纪6 0 年代，当时仅限于中小跨 径。随着高强度预应力钢材、高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系应用于连 续箱梁，其跨越能力大大增加，目前在4 0 m 1 5 0 m 范围内，预应力混凝土连续 箱梁桥占主导地位。无论是在城市桥梁、高速公路、高架道路、山谷高架栈桥， 还是跨越宽阔河流的大桥，预应力混凝土连续箱梁桥均较多地发挥了它的优势， 它是广泛使用的一种桥型2 。 1 9 8 5 年建成的主跨1 11 m 的湖北沙洋汉江大桥，是我国第一座主跨突破1 0 0 m 的连续梁桥。2 0 0 1 年建成主跨达1 6 5 m 的南京长江二桥北汉桥，是我国目前最 大跨径的预应力混凝土连续梁桥。从我国已建成的大跨度预应力混凝土连续梁 桥实践来看，大部分采用悬臂浇注法施工，通过大量的工程实践，施工工艺在 不断革新，施工质量在不断提高，如：悬臂浇注的作业循环周期在不断缩短； 施工效率和混凝土整体质量在不断提高；在施工机具、挂篮设备、现浇技术等 方面均取得了较大发展和相当水平1 。国内部分悬臂浇注预应力混凝土连续梁 桥见表1 1 。实际建造数量远远超过表中所列。 表1 1 国内部分悬臂浇注预应力混凝土连续梁桥一览表 竣工主跨桥宽 梁高( m )材料用量 桥名截面形式 支跨混凝土普通钢筋预应力筋 年份( m )( m ) 点中( 皿3 m 2 ) ( k g m 2 )( k g m 2 ) 洛河大桥 1 9 7 74 59单箱三室2 51 30 6 25 01 9 单箱双室 兰州黄河大桥 1 9 7 97 02 14 o2 00 6 37 02 4 7 并列箱 德都青山大桥 1 9 8 25 08 5 单箱双室 2 81 5o 5 95 7 22 4 常德沅水大桥 1 9 8 31 2 01 8 单箱单室 6 83 00 8 4 68 9 56 5 7 沙洋汉江桥 1 9 8 51 1 11 2 荸箱单室 6 o2 5o 8 87 54 9 4 东堤头大桥 1 9 8 81 0 01 7 单箱双室 6 o3 3o 7 88 4 43 5 3 惠州大桥 1 9 8 91 2 42 0 双箱 7 o3 o 宜城汉江大桥1 9 9 0l o o1 0 8单箱单室5 o 2 6 o 6 9 7 0 63 4 1 三峡乐天溪公路大桥 1 9 9 01 2 51 5 单箱单室 7 73 20 8 0 31 0 3 34 5 o 六库怒江大桥 1 9 9 l1 5 41 0 单箱单室 8 52 81 7 31 0 9 16 7 o 桐庐富阳富春江桥 1 9 9 28 01 3 单箱单室 5 o 2 3o 8 l8 9 56 5 7 单箱单室 上海吴淞大桥1 9 9 39 04 05 o 2 o0 8 61 2 05 0 分离箱 风陵渡黄河公路大桥 1 9 9 41 1 41 3 单箱单室 6 52 8 番禺市海鸥大桥 1 9 9 51 1 01 5 5 单箱单室 6 o2 4o 9 21 2 1 2 6 1 8 2 7 佛开高速潭州大桥 1 9 9 51 2 51 2 1 单箱单室 7 o 5 上海奉浦大桥 i 9 9 51 2 51 8 6 单箱单室 7 o2 8o 9 l 9 5 56 9 2 天门汉江公路桥 1 9 9 61 1 61 3 5 单箱单室 6 63 00 7 1 7 1 4 3 14 6 6 兰溪黄湓人桥 1 9 9 78 01 5 7 单箱单室 5 12 4o 8 8 7 25 4 单箱单室 沪杭高速长山河桥 1 9 9 87 03 2 54 o1 9 分离箱 德庆西江人桥 1 9 9 91 2 81 2 5 单箱单室 7 o2 84 4 9 单箱单室 甬台温高速灵江桥 2 0 0 01 2 22 6 o 分离箱 单箱单室 福泉高速乌龙江二桥 2 0 0 01 0 03 3 56 93 1 分离箱 单箱单室 南京长江二桥北汉桥 2 0 0 11 6 53 2 o8 83 o 分离箱 金沙洲大桥 2 0 0 31 3 82 2 o 单箱单室 7 o3 o 新安江大桥 2 0 0 7 9 0 1 2 o 单箱单室 5 o2 20 7 91 3 6 o4 2 5 4 目前世界上最大跨径的预应力混凝土连续梁桥为1 9 9 4 年在挪威建成的新 瓦洛德( n e wv a r o d d ) 桥，主跨跨径达2 6 0 m 。超过这一跨径也不太经济，因为 大跨径预应力混凝土连续梁桥须使用大吨位支座，而且要通过合拢完成体系转 换，给施工、养护带来许多不便。 1 2 4 连续刚构桥陆1 预应力混凝土连续刚构桥是在连续梁桥和t 型刚构桥的基础上发展而成的 大跨度桥梁最常用的桥型之一。t 型刚构桥的墩、梁固结，不设支座，但是由 于其结构整体性差，不连续，纵向线型有折角，而且在长期荷载的作用下会产 生过大的下挠，因此大大影响了该类结构的安全、稳定性能以及高速、舒适行 车的要求。连续梁桥虽然克服了t 型刚构桥不连续的缺点，但是大跨度的连续 梁桥通常需要大吨位的支座，而由于支座容易损坏，更换大吨位的支座又比较 困难，支座吨位就成为控制连续梁桥跨度发展的一个重要因素。连续刚构桥则 兼有t 型刚构桥和连续梁桥的优点：墩、梁固结，不设支座；可以选择梁与墩的 相对刚度，调节梁跨中和桥墩弯矩以及梁的建筑高度：一联内无缝，满足安全、 高速、舒适行车的要求；且能较好地抵抗温度、混凝土收缩徐变、地震等的影 响。连续刚构桥多采用高墩，主墩高度一般在4 0 m 以上，甚至1 0 0 m 以上，通常设 计成钢筋混凝土双薄壁墩或空心薄壁墩( 另外还有v 形墩连续刚构) ，主梁大多 采用变截面箱形梁，三向预应力体系，适应轻型、大跨的需求。由于连续刚构 桥跨径加大，自重随之加大，3 0 0 m 以上跨径的预应力混凝土连续刚构桥多采用 轻质高强混凝土材料，否则，一般来说既不经济，在技术上也是不大合理的。 当连续刚构桥根据需要把边跨松开，在边墩采用支座，就形成了刚构一连续组合 梁体系。 表1 2 连续梁与连续刚构的受力特点对照比较 跨中截面墩项( 支点) 截面 墩柱 竖向 荷载结构形式 弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力 剪力 位移 恒载+ 连续梁大很小大 稍人 很小相近j大 活载 连续刚构 小 大小大大相近-0 -小 恒载+ 连续梁小很小小小很小相近- 小 温变 连续刚构大大大大大相近 0 -大 表1 2 为连续梁和连续刚构受力特点的对照比较。与连续梁相比，连续刚构 由于墩梁固结，对梁跨形成附加约束，因而能够增加顺桥向的抗弯刚度和横桥向 的抗扭刚度，从而提高桥梁的跨越能力；同时由于墩柱的约束，温度变化、收缩 徐变等对连续刚构造成的内力影响，也比连续梁大得多；尽管在高墩桥位，经常 采用柔性墩结构，但桥墩的材料用量、设计难度均要比连续梁大得多。与连续刚 构相比，连续梁桥在支座处仅提供竖向约束，所以在“恒载+ 活载 作用下的跨中 截面弯矩要比连续刚构大，但由温度变化和混凝土收缩徐变所产生的各种内力、 次内力要比连续刚构小很多；刚构一连续组合梁桥的受力特点则介于连续梁和连 续刚构之间。所以在大跨度桥梁的桥型方案中，应当结合具体的技术经济条件， 权衡选择。 1 9 8 8 年建成的广东番禺洛溪大桥是我国第一座预应力混凝土连续刚构桥， 其跨径布置为6 5 m + 1 2 5 m + 1 8 0 m + ll o m 。它的建造成功使得连续刚构这种经济合理 的桥型在我国迅速得到推广应用。在目前世界2 0 0 m 以上的预应力混凝土连续刚 构桥中，我国占了很大比例，而且这些连续刚构桥大多是在我国西南山区地质 条件较好的地区。同时也更新了混凝土梁桥的经济跨径：在此之前跨径超过 2 0 0 m 时一般采用斜拉桥，而之后跨径超过3 0 0 m 才用斜拉桥，在2 0 0 m 和3 0 0 m 之间连续刚构桥型比斜拉桥更加优越。它的成功也推动了大吨位预应力群锚在 我国桥梁中的广泛应用：以前，我国的预应力厂家只生产不到6 0 0 k n 的弗氏锚， 洛溪大桥首次引进了国外张拉吨位达4 2 7 5 k n 的v s l 预应力体系。实践表明，采 用大吨位预应力体系后，受力特性替代布束需要成为顶板和底板尺寸设计的控 制因素，如与2 4 丝弗氏锚比较，减少了顶板和底板面积约6 0 以上，经济效果 十分显著。 1 9 9 7 年建成的的广东虎门大桥辅航道桥，主跨达2 7 0 m ，是当时世界上最大 跨度的预应力混凝土连续刚构桥。 2 0 0 6 年9 月2 5 日通车的重庆石板坡长江大桥复线桥，由于通航要求以及考 虑和旧桥相协调，采用主跨达3 3 0 m 的连续刚构箱梁桥，主跨中部1 0 8 m 采用钢 结构，减轻了上部结构重量，使得该桥在技术和经济上变得可行。另外国内比 较著名的还有主跨2 6 8 m 的苏通大桥辅航道桥以及在建的主跨2 1 6 m 的舟山大陆 连岛工程金塘大桥东通航孔桥等。 在国外，早期最著名的是1 9 8 5 年澳大利亚建成的门道( g a t e w a y ) 桥，跨径 布置为1 4 5 m + 2 6 0 m + 1 4 5 m ，保持了世界第一达1 2 年之久。 1 9 9 8 年挪威建成了主跨3 0 1 m 的s t o l m a 海峡桥，超过虎门大桥辅航道桥成 为世界上最大跨径预应力混凝土连续刚构桥，其跨径布置为9 4 m + 3 0 1 m + 7 2 m 。另 一座比较著名的大跨径预应力混凝土连续刚构桥梁也是1 9 9 8 年在挪威建成的 r a f t s u n d e t 桥，主跨2 9 8 m 。这两座桥的中跨都采用了轻质高强混凝土。 1 3 大跨度预应力混凝土梁桥常出现的一些问题 虽然国内外已建成了大量的大跨度预应力混凝土梁桥，在设计和施工等方 面，都积累了较为成熟的经验，但限于目前科学技术的发展水平，以及对大跨度 预应力混凝土梁桥认识上的局限性，很多大跨度预应力混凝土梁桥均出现了不 同程度的病害，从国内外相关研究发现，跨中持续下挠以及下挠量过大、梁体 裂缝过多已成为大跨度预应力混凝土梁桥的世界性通病。如何正确认识病害产 生的机理以及如何有效防止病害的产生或减少既有病害带来的不利影响，是桥 6 梁设计、施工以及科研工作者所要急需解决的问题。 1 3 1 跨中挠度过大5 卜n 1 3 通过调查，很多大跨度预应力混凝土梁桥虽然在主梁的设计中设有足够的 预拱度，但在建成通车一段时间后，箱梁跨中还是出现了不同程度的下挠，这不 但给行车带来麻烦，而且会使结构开裂、破坏，给结构造成很大的安全隐患。现 列举若干典型如下： 国内，1 9 9 2 年建成通车的三门峡黄河公路大桥，其主桥为一座六跨预应力 混凝土连续刚构桥，跨径布置为1 0 5 m + 4 1 4 0 m + 1 0 5 m 。2 0 0 2 年6 月对该桥的检 查发现，跨中区域下挠最大量已达到2 2 c m ，另外梁体有大量裂缝。 广东南海金沙大桥主桥为一座三跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为 6 6 m + 1 2 0 m + 6 6 m ，于1 9 9 4 年建成通车。2 0 0 0 年底对该桥进行检测发现，主跨跨 中挠度达2 2 c m ，约为跨径的1 5 4 5 ，主跨箱梁腹板有大量斜裂缝，最大裂缝宽 度1 1 5 m m 。 1 9 9 5 年建成的黄石大桥，是一座五跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置 为：1 6 2 5 m + 3 2 4 5 m + 1 6 2 5 m 。该桥通车运营三年后，跨中仍然持续下挠；经过 近7 年的运营后，大桥出现了较为严重的病害，而且病害仍在发展。根据对大 桥垂直位移观测结果，大桥各跨跨中均有明显下挠：与成桥时相比，大桥北岸 次边跨2 # 墩和3 # 墩之间主梁跨中下挠累计已达3 0 5 c m ，中跨3 # 墩和4 # 墩之间 主梁跨中下挠已达2 1 2 c m ，南岸次边跨4 # 墩和5 # 墩之间主梁跨中下挠累计已 达2 2 6 c m 。最大下挠值约为跨径的1 8 0 0 。 尤其是1 9 9 7 年底建成通车的广东虎门大桥辅航道桥，建成时曾被公认为是 一座设计和施工质量甚好的桥梁，但对主跨2 7 0 m 的虎门大桥辅航道桥连续7 年的 观测结果显示：该桥承台竖直变位和墩项角位移很小，但主跨跨中挠度却因混 凝土收缩徐变等因素而逐年增长，而且尚未停止。这震撼了我国桥梁界。2 0 0 3 年1 1 月的测量数据表明，与成桥时相比，虎门大桥左幅桥跨中累计下挠达2 2 2 a m ，右幅桥跨中累计下挠达2 0 7 c m ，并出现了裂缝。由图卜5 可以看出：在1 9 9 7 年1 2 月2 0 0 0 年1 1 月时间段内，为挠度快速发展期；在2 0 0 0 年0 1 月 - - 2 0 0 2 年1 2 月时间段内，为挠度平稳发展期；在2 0 0 2 年1 2 月2 0 0 3 年1 1 月时间段内，挠度 还在继续发展。 通过对佛开高速公路的汾江大桥、潭州大桥、九江大桥等数座大跨度预应 力混凝土梁桥的病害情况所做的对比分析发现跨中下挠呈现出“快速一缓和一 加速的发展特点，且跨径越大，下挠越快，下挠趋势仍未收敛。此外，在裂 缝出现后，即使不进一步开展，桥梁挠度也会继续增大。 图卜6 为汾江大桥、潭州大桥的下挠时间曲线，其中在2 0 0 1 年8 月曾对大桥 进行过体外预应力加固，但加固完成一年后下挠继续发展。汾江大桥主桥为“6 5 m 7 + 1 0 0 m + 6 5 m 双幅单箱单室预应力混凝土连续梁桥，- ：1 9 9 6 年11 月建成通车；1 9 9 5 年竣工的潭州大桥也是预应力混凝土连续箱梁桥，主桥跨径布置为“7 5 m + 1 2 5 m + 7 5 m 。 巍度厢啊 舅量日期 麓度量r a m 0圆辔 疆量开舅 右线抛曩房劈中国左蟪娜m 聃中 洼：够为1 9 9 7 - - 1 2 ：国兔i 9 9 s - 0 6 ：锹s 1 9 9 9 - 0 3 ：固为2 k 渤奄2 j ： 为2 h 2 ：为0 2 - | 墨回为2 0 0 3 - 1 i ， 图卜5 虎门大桥辅航道桥主跨跨中桥面挠度变化速率图 碍坪l 为l 嘲辱l 珂2 0 耀1 月瑚2 萍l 露瑚0 1 年l 罔苹i 熙 图卜6 汾江大桥、潭州大桥的下挠时间曲线 从以上各桥的实测结果可以发现，跨径在l o o m - - 1 6 0 m 范围内的预应力混凝 土梁桥，跨中年平均下挠0 5 c m l c m ；跨径在1 6 0 m - - - 2 2 0m 范围内的桥梁，跨中 年平均下挠l c m , - ，2 c m ；跨径在2 2 0 m - - - 2 7 0 m 范围内的桥梁，跨中年平均下挠2 c m - - 3 c m 。 国外，帕劳共和国的科罗巴岛( k o r o r b a b e l d a o b ) 桥是一座跨中带铰的三 跨连续预应力混凝土刚架桥，1 9 7 8 年建成通车，其跨径组合为7 2 m + 2 4 1 m + 7 2 m ，是 当时世界上同类桥梁中跨径最大者。通车后不久就产生了较大的挠度，到1 9 9 0 年，其挠度已达到1 2 m 。后来采用体外索施加预应力使主跨中央挠度有所减 小，1 9 9 6 年7 月加固结束，然而，加固处理后不到3 个月就发生了倒塌事故，见图 1 7 。 o 柏 ；暑 的 伯 i l 叠 2 -3端嚣簪露 图i 一7 科岁巴岛桥倒塌后图i 一8 底极分层劈裂事故 英国的k in g s t o n 桥是一座跨度为6 2 5 m + 1 4 3 3 m + 6 2 5 m 的预应力混凝土箱梁 桥，主跨中央带铰。19 7 0 年建成后跨中挠度缓慢加大，至19 9 8 年已经超过3 0 c m 。 美国1 9 7 9 年竣工的鹦鹉渡口桥( p a r r o t t sf e r r yb r id g e ) ，跨径布置为9 9 m + 19 5 m + 9 9 m ，上部结构采用轻质混凝土。该桥在使用12 年后，主跨跨中下挠了 6 3 5 c m 。 1 3 2 箱梁梁体产生裂缝h “j 。n 9 。 大跨度预应力混凝土梁桥一般采用变截面箱梁，根据对现有桥梁病害的分 析，箱梁的裂缝主要出现在腹板和底板一一，也有箱梁顶板的纵向裂缝。 腹板裂缝多出现在桥跨的1 4 1 8 之间，分析其原因，主要是腹板内的剪 应力、主拉应力和局部拉应力场作用的结果。腹板斜裂缝也称主拉应力裂缝， 是预应力混凝土梁桥中出现最多的一种裂缝，往往首先发生在剪应力最大的支 座( 墩顶) 附近，与梁轴线成2 5 “5 0 “角，并随着时间推移，不断向受压区发 展。 底板裂缝多出现在跨中部位及边跨现浇段。底板顺桥向呈弯曲形状，底板 束张拉时，会产生向下的径向分布荷载，如果底板预应力束保护层较小，而且 又未采取足够的抗径向力措施，就很容易产生底板分层劈裂事故，参见图1 8 。 正确的设计往往按此径向分布荷载设平衡箍筋，使这部分力，通过平衡箍筋传 递于上层钢筋，使全底板承受该力。较长悬臂翼缘板的悬臂根部以及宽箱梁项 板跨中会出现纵向裂缝。 通过对黄石大桥箱梁详细调查，共发现裂缝6 6 3 8 条，其中5 3 2 8 条分布在 箱梁腹板内表面( 上游腹板2 2 0 0 条，下游腹板3 12 8 条) ；1 0 7 3 条分布在箱梁腹 板外表面上( 上游腹板2 7 2 条，下游腹板8 0 l 条) ；2 3 7 条分布在箱梁底板上。 箱梁开裂主要表现在三个方而：一是跨中段一定范围内腹板的斜向开裂；二是箱 梁底板下表面的横向裂缝和腹板的竖向裂缝；三是墩顶横隔板的竖向和横向裂 缝：? 。 l9 9 5 年5 月，山东省公路桥梁检测中心对9 0 年代初投入运营的东明黄河 公路大桥( 主桥7 5 m + 7 1 2 0 m + 7 5 m 连续刚构) 、台儿庄大桥( 主桥4 6 m + 8 0 m + 4 6 m 连续刚构) 和临清卫运河大桥( 主桥3 3 m + 5 6 m + 3 3 m 连续梁) 3 座预应力连续梁及刚 构桥主桥进行了检测，其主桥箱梁腹板均显现有不同程度的斜向裂缝阳1 。 2 0 0 2 年6 月对跨径布置为1 0 5