刚构桥是上世纪50年代发展起来的预应力混凝土桥梁结构, 随着建筑材料、施工技术、计算手段的进步, 出现了预应力混凝土梁桥, 德国建成的奥厄桥开创了预应力混凝土桥梁发展的先河, 施工经验和结构分析理论的不断丰富, 预应力桥逐步显示出其优越性, 被广泛采用。随着桥梁跨径的增大和桥墩的增高, 支架施工工艺受到了极大的限制, 为了解决这个难题, 上世纪50年代出现了悬臂施工法。大跨度预应力混凝土连续梁桥施工方法主要采用平衡悬臂浇筑法, 梁体从墩上平衡向两边悬臂现浇伸出。为保持梁体在施工过程中稳定, 梁体需临时锚固于墩上或在墩旁立临时支架增设支撑点, 然后现浇合拢段转换成最后的结构体系, 同时在支座处需设大吨位盆式支座, 费用高。而悬臂施工法的关键在于施工中体系的平衡, 而传统的梁桥是墩梁铰接的, 在施工中又难于保持体系的绝对平衡, 这就要求墩梁固结, 利用桥墩本身的抗弯刚度来抵御不平衡造成的弯矩。这样就出现了T型刚构。随着T型刚构的发展, 又出现了将T型刚构粗厚桥墩减薄, 形成柔性桥墩, 使墩梁固结、主梁连续, 从而形成连续刚构桥。连续刚构桥同T型刚构桥相比具有造型优美行车舒适的特点。
预应力混凝土连续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥, 这种体系利用主墩的柔性来适应桥梁的纵向变形, 所以特别适合于大跨高墩连续梁桥中。连续刚构桥根据构造的不同可分为主跨跨中连续和跨中设铰两种类型, 亦可称为连续-刚构连续体系梁桥和连续-刚构铰接体系梁桥。连续-刚构连续体系梁桥, 桥梁中梁墩固结点多设置在大跨、高墩的桥墩上, 因为利用高墩的柔度可以适应结构由预应力、混凝土收缩徐变和温度变化所引起的纵向位移。边跨较矮的桥墩, 相对刚度较大, 可将铰设在桥墩的顶部或底部。连续-刚构铰接体系梁桥, 桥墩的刚度比连续体系梁桥的桥墩刚度要大一些, 结构的水平位移需要借助在跨中设置剪力铰来满足。但设剪力铰的连续刚构桥桥面易产生折角, 连续性、平稳性较差。桥梁的伸缩缝通常设在桥两端的桥台处, 设铰的长桥也可将伸缩缝设在铰处。
在预应力混凝土连续刚构桥梁中, 为适应悬臂施工和正负弯矩配筋, 一般多采用箱形截面。根据桥梁的宽度不同而分为单箱单室、单箱多室、多箱单室、多箱多室等;根据纵向的跨径和梁高的变化而分为纵向等截面和纵向变截面等;根据桥梁所在的平面线形而分为直线桥和曲线桥等。
当跨径较大而墩的高度不高时, 为增加墩的柔性, 常采用双壁薄墩, 也可设计成柔性的桩基, 使墩具有较小的抗推刚度。此外, 双壁薄墩还具有削减墩顶负弯矩峰值的作用。因此, 目前国内多数连续刚构桥如最大跨度270m的广东虎门辅航道桥就采用这种桥型。在受力方面, 连续刚构桥在施工状态下的受力模式和合拢后体系转换的整个结构受力状态也能够很好的吻合这是其他桥型难于比拟的优点。这正是连续刚构桥能够广泛在工程实践中得到应用的原因所在。
预应力混凝土连续刚构桥主要适用于高桥墩、大跨径的情况, 连续刚构是连续梁与T形刚构的组合体系, 高墩大跨度连续刚构桥与其它桥梁相比其结构特点主要为:其墩、梁、基础三者固结联为一体共同受力;墩身形式、高度等对结构受力有影响。
连续刚构这一桥型将T形刚构和连续梁的优点全部体现了出来, 而又回避了它们的缺点, 因此是一种非常好的桥型。连续刚构桥设计时涉及以下关键问题。
1 分孔比例问题
连续刚构边跨与中跨比的确定, 首先取决于全桥的桥跨总体布置与自然条件的协调性, 在此基础上再考虑梁体内力分布的合理性与施工的方便。已建成的国内外连续刚构桥, 边、主跨的跨径比值在0.5~0.692之间, 仅美国的Houst连续刚构桥采用了边、主跨比值为0.5, 而且超过0.6的也仅有少数, 大部分边、主跨的跨径比值在0.55~0.58之间。这说明变截面连续刚构桥的边跨与主跨比值要比变截面连续梁桥的比值范围0.7~0.8要小。经理论研究分析和实践证明, 连续刚构边、主跨跨径之比在0.54~0.56之间, 或再稍大一些时, 有可能在边跨悬臂端以导梁支承于边墩上合拢边跨, 而取消落地支架。
2 合理截面问题
2.1 截面形式
连续刚构桥通常采用箱形截面。一般箱顶宽在22m以下时, 可采用单箱单室, 如果顶宽更大, 则往往分为上行和下行, 修成双幅桥, 截面为两个分离单室箱。连续刚构桥的上部结构一般采用变截面箱形梁。
2.2 主梁高度
(1) 连续刚构桥箱梁根部的高跨比一般为1/15~1/20.6, 其中大部分为1/18左右, 也有少数桥梁达到或低于1/20。根据已建成桥的统计, 对于变截面梁墩顶处梁高与最大跨径的关系有:
式中:lmax为连续刚构桥的最大跨径 (m) 。
(2) 主梁跨中箱梁的高跨比通常为l/46.2~1/85.1, 其中大多数取值为1/54~1/60。我国南澳跨海大桥连续刚桥的跨中箱梁最小高跨比只有1/73.7。根据已建成桥的统计, 跨中梁高与最大跨径有如下关系:
式中:lmax为连续刚构桥的最大跨径 (m) 。
减小主梁高跨比是上部结构趋于轻型化的表现。随着跨中部采用轻质混凝土, 自重的减轻, 并可选用较小的主梁跨中高度, 从而减小主梁跨中或根部的高跨比。实践证明, 梁底采用1.5~1.8次方的抛物线, 对箱梁截面底板混凝土应力较为合理。
2.3 板厚
公路连续刚构桥顶板的厚度, 已由28cm减小到25cm。底板的最小厚度多数为32cm, 少数桥底板厚28cm或25cm。底板的最大厚度, 其根部底板厚跨比的最小值为1/200;目前国内以虎门大桥副航道桥最小为1/207.7。腹板的最小厚度一般为40cm, 个别最小为34cm, 也有采用50cm, 最大厚度为55cm~80cm。
箱梁截面板件尺寸减小, 也意味着上部结构的轻型化, 这也是连续刚构桥发展中的又一趋势。但是腹板较薄时, 其主拉应力的控制应特别重视。
3 温度内力问题
连续刚构桥墩梁固结, 是一种超静定结构, 为了防止温度内力过大, 必须采取下列结构与施工措施。
3.1 减小墩的抗推刚度
桥墩的抗推刚度越小, 其温度内力就越小。一般连续刚构桥适用于高墩的场合;如果墩身不够高, 可设计成柔性的桩基, 同样使墩具有较小的抗推刚度。
3.2 限制连续刚构总长
随着设计水平的提高, 大伸缩装置的利用, 连续刚构长度不断增加, 目前国内最长的连续刚构桥总长为1060m。但是为了防止温度内力过大, 必须限制连续刚构桥的总长。
3.3 控制施工合拢温度
连续刚构桥采用悬臂浇筑施工, 在悬浇完成最后一个梁段后进行主梁合拢, 完成体系转换。主梁合拢包括中跨合拢和边跨合拢。合拢要求在设计合拢温度下进行, 当施工合拢不能在设计合拢温度下进行时, 施工单位必须计算此温差产生的位移, 使支座释放该位移后再临时固结, 最后安装刚性连接构件, 在当前温度下按合拢程序浇筑合拢段的混凝土。
4 通航防撞问题
江河、海峡等通航条件下修建连续刚构桥, 采用双薄壁桥墩时通常不能直接承受船舶的撞击力, 必须采取各种措施, 以防止船只的碰撞。如: (1) 墩周设人工刚性防撞岛; (2) 墩周设柔性消能防撞设施; (3) 设分离式防撞岛。
5 结构分析问题
主桥结构的设计计算可采用桥梁现成的结构线性非线性分析程序进行。
5.1 桥梁纵向计算
根据连续刚构桥的实际特点以及施工阶段的分解, 进行结点和单元划分, 其计算荷载应包括恒载 (包括混凝土的收缩徐变和预应力作用等次内力) 、活载、支座强迫位移、温度荷载 (含整体温变和局部温变) 、汽车制动力、支座摩阻力、风力等, 并对结构的内力、位移、应力进行计算分析和验算。结构施工阶段的验算, 浇筑每一梁段均考虑挂篮就位、浇筑混凝土、张拉预应力等三个施工过程, 并对各梁段施工中的内力、应力、挠度进行计算和验算。
5.2 横向内力计算
主桥结构箱梁横向内力计算, 一般采用弹性支承平面框架进行计算。对汽车荷载按规范要求计算纵向荷载影响分布宽度, 然后换算成每延米的集中荷载作用在框架上, 计算过程中还应考虑温度影响和预应力的作用。
5.3 墩身对结构的影响
连续刚构为墩梁固结, 对温度变化、混凝土收缩徐变、汽车制动力等因素产生的次内力相当敏感。高墩连续刚构桥一般地处大型峡谷, 由于峡谷风效应, 高墩既要满足稳定性要求, 又必须抵抗强大的、对设计起控制作用的风荷载, 因此采用如下高墩设计思路。
(1) 应具有适当的纵向抗推刚度, 以适应纵桥向由于温度、混凝土收缩徐变等引起的变形; (2) 为抵抗横桥向风荷载, 减小偏载引起的侧向位移, 提高行车舒适性, 墩柱横桥向刚度应设计得较大; (3) 无论是在悬臂施工阶段还是运营阶段, 横桥向风荷载均起控制作用, 应尽可能减小墩柱横向迎风面积、改善气动外形、减小风载体形系数; (4) 高墩一般采用滑模或爬模施工, 从施工的便捷出发, 宜采用简洁的形状; (5) 山区高墩连续刚构桥体量巨大, 景观效果突出, 墩形选择应与环境相协调。高墩连续刚构桥墩一般采用整体式和分离式, 多为薄壁箱形截面。单肢箱形截面具有强大的抗弯、抗扭刚度, 但箱形截面具有较大的纵向抗推刚度, 适应结构体系纵向变形的能力较差, 为了在悬浇阶段提供足够安全的抵抗纵向不平衡弯矩的作用, 需要较大的纵向尺寸, 而此时较大的抗推刚度导致体系在收缩、徐变、温度变化等作用下产生较大的内力, 对墩柱、基础均产生较大的影响。因此, 在连续刚构桥中, 抗压刚度较大, 抗推刚度较小的双壁柔性墩容易适应连续结构的变形, 成为减小连续结构因温度变化, 混凝土收缩徐变等因素在墩身中产生次内力的主要措施。
5.4 竖向预应力设计要求
连续刚构桥中, 需在箱梁的腹板内布置竖向预应力筋, 以提高腹板抵抗主拉应力的能力, 防止由于主拉应力过大而引起腹板开裂。竖向预应力一般采用精轧螺纹钢筋, 它在营运阶段可以控制箱梁腹板裂缝, 在极限状态能承受一部分竖向力;每个节段完成后, 张拉纵向预应力钢筋之前, 应先张拉腹板中竖向预应力筋。但应充分注意到, 竖向预应筋较短, 预应力损失大;再加上施工中控制失当, 很容易造成预应力大部分丧失。
摘要：本文基于笔者多年从事桥梁设计的相关工作经验, 以连续-刚结构桥设计为研究对象, 研究探讨了连续-刚结构桥设计中的五个关键问题, 即分孔比例问题、合理截面问题、温度内力问题、通航防撞问题和结构分析问题, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：连续-刚结构桥,桥梁设计,截面内力计算
参考文献
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