高墩大跨连续刚构桥的关键技术问题

2010-02-12史宏财湖北工业大学湖北武汉430070

中国建材科技 2010年4期

史宏财（湖北工业大学，湖北武汉430070）

1 引言

桥梁的内力与应力状态，与形成结构的顺序及过程密切相关，不同的施工方案及施工顺序将导致结构产生不同的受力状态。预应力混凝土梁桥在施工过程中常常会出现体系转换，因此施工阶段的应力与变形必须在结构设计中予以考虑。对于桥梁，设计与施工是不能也无法截然分开的，结构设计必须考虑施工方法、施工内力与变形；而施工方法的选择应符合设计的要求，形成设计与施工互相制约、互相配合的关系。本文主要讨论了高墩大跨连续刚构桥的关键技术问题。

2 桥梁结构合理设计状态及相关设计

2.1 连续刚构桥设计特点

高墩大跨梁桥多采用悬臂施工法，需在施工过程中进行体系转换，经过一系列的施工阶段而逐步形成最终的梁桥体系。在各个施工阶段，可能具有不同的静力体系，其中包括安装单元、拆除单元、张拉预应力、移动挂篮等工况[1]。

计算其恒载内力时必须精确模拟各个施工阶段，反映在结构约束、荷载列向量和总刚矩阵等随施工阶段而发生变化。桥梁的恒载内力由各个施工阶段引起的内力迭加而成，对不同的施工方法，桥梁的恒载内力是有很大区别的。而活载和温度、沉降等内力在成桥后才发生，作用在最终连续梁体系上，故与施工方法无关。为了保证施工安全和长期正常使用，进行桥梁设计时必须对每一个受力阶段计算各种荷载作用下的应力和变形，并进行组合。悬臂施工涉及到非常多的施工工况，且由于体系发生转换而使预加力和徐变产生的次内力计算变得复杂，故设计时一般必须借助电算才能完成[2]。

采用悬臂施工的桥梁。在施工过程中经历T型刚构的受力状态，合龙后形成桥梁，其恒载产生的内力由各施工阶段产生的内力迭加而成。由于合龙段较短，其产生的内力一般较小，故T型刚构受力状态为主要部分。对于悬臂施工的桥梁，合龙后根部负弯矩很大，而中跨跨中恒载弯矩很小。二期恒载加上以后，根部负弯矩增大，中跨跨中承受相对较小的正弯矩。因此，截面几何尺寸拟定时，应根据以上弯矩分布特点，增大主梁根部附近断面的抗弯刚度，提高截面下缘的承压能力。

2.2 结构计算图式的确定

在进行结构设计前，必须对桥梁结构进行离散化，建立结构计算图式。结构离散化是结构分析重要的一节，必须遵循以下原则：1)保证体系的几何不变性。这一点在较复杂的施工体系转换中尤其应注意。同时也应避免与结构受力不符的多余约束；2)计算模型应尽量符合结构的构造特点和受力特点，对于零号块的处理、支座的处理、基础的模拟等应慎重考虑；3)在合理模拟保证精度的前提下，尽量减少节点数目，以缩小计算规模。

一般在以下位置应划分节点；1)构件的转折点和截面变化点；2)施工分界点、边界处及支座处：3)需验算或求位移的截面处：4)当出现位移不连续的情况时，例如相邻两单元以铰接形式相连(转角不连续)，可在铰接处设置两个节点，利用主从约束考虑该连接方式。

单元、节点编号时，应尽量使单元两侧节点号之差最小，这样可使形成的总刚度矩阵带宽最小，从而节省存储量和减少运算量。有些程序能够根据严格的数学原理，自动对带宽进行优化处理，那么编号可随意。

2.3 主梁结构内力设计

主梁的内力计算，可分为设计和施工内力计算两部分。设计内力是强度验算及配筋设计的依据。施工内力是指施工过程中，各施工阶段的临时施工荷载，如施工机具设备(挂篮、张拉设备等)、模板、施工人员等引起的内力，主要供施工阶段验算用。

预应力束筋的计算

在预应力混凝土梁桥的计算中，根据预应力混凝土结构设计原理及有关规范的规定，预应力钢束的布置应综合考虑以下因素：根据受力类型的不同分别考虑承载能力极限状态下正截面抗压、抗剪强度及斜截面抗剪强度等；正常使用极限状态下预应力混凝土构件法向拉、压应力及主拉、主压应力要求；施工阶段截面法向拉、压应力要求。充分考虑到梁体的构造特点，在有限的空间内进行钢束的竖弯与平弯，钢束间的相对位置、转弯角度及半径等应满足构造要求。

正常使用极限状态的应力要求计算：预应力混凝土梁在预加力和使用荷载作用下的应力状态应满足的基本条件是：截面上、下缘均不产生拉应力，且上、下缘的混凝土均不被压碎。根据截面受力情况，其配筋不外乎3种形式；截面上、下缘均布置力筋以抵抗正、负弯矩；仅在截面下缘布力筋以抵抗正弯矩或仅在上缘配置力筋以抵抗负弯矩。应注意，预应力混凝土受弯构件截面配筋数量不仅与截面承受的弯矩有关，而且还需考虑截面几何特性的影响。

按承载能力极限状态的强度要求计算预应力梁达到受弯极限状态时，受压区混凝土应力达到混凝土抗压设计强度，受拉区钢筋达到抗拉设计强度，截面的安全性是通过计算截面抗弯安全系数来保证的。在初步估算预应力力筋数量时，T形或箱形截面，当中性轴位于受压翼缘内可按矩形截面计算，但是当忽略实际上存在的双筋影响时(受拉区、受压区都有预应力筋)计算结果偏大，作为力筋数量的估算是允许的。

2.4 高墩设计

高等级公路跨越山岭峡谷的桥梁，各种粱式桥是常用而且可行的方案。在这一范畴内，跨度与墩高间会有一个相对经济的比例关系，而当通过计算、分析、比选后确定跨径与墩高后，高墩的类型、截面型式的选取及其稳定问题则成为高墩设计的一个重点部分。

1）当墩高相差不大时：墩高40m下，可选用双柱式或矩形薄壁墩；墩高40m～50m选用矩形薄壁墩；墩高50m～60m可将矩形薄壁墩与空心薄壁墩进行比较后选用；墩高60m以上选用空心薄壁墩为宜；墩高100m将空心薄壁墩与双壁式墩进行比较后选用。当墩高相差很大时，还得具体问题具体分析，经过计算比较并结合下述高墩截面型式进行选择采用。

2）实际设计高墩时，采用墩壁厚度应通过计算决定。墩身较高时如超过40m墩壁不宜太薄，因此时桥墩多受墩顶位移控制，用薄壁墩时须加大墩身总宽。另外，在薄壁墩中，由温度、日照、混凝土收缩等引起的结构内力比较复杂，温度应力的计算方法还不够完善，所以，设计中采用计算数据作定性分析，更要考虑一些不利因素，在结构上增加一些必要的措施，如采用不同的内外坡率使壁厚逐渐增加，或设置横隔板等。

3）在施工稳定性方面，有关资料表明，考虑到施工中不平衡荷载、裸墩风载、高空作业安全等诸多因素，建议长细比λ值以不大于116为宜，这是因为①λ=116时墩柱长细比过大：②施工中墩顶位移过大。

4）桥墩墩型与截面型式问题，尚未涉及结构体系，从运营稳定的角度上来看，刚构固结对高墩而言总是相对较好一些，为了施工方便，利用施工稳定性较好的空心墩配以桥面连续，也具有一定的比选价值。对于高墩的截面型式，分析已建成的高桥墩，把高桥墩分为实体墩与空心墩两大类。

5）空心式桥墩是桥墩向轻型化、机械化方向发展的途径之一。空心墩可充分地利用材料强度，因此，可以节省材料，减轻桥墩自重，降低对地基强度的要求，有很好的力学性能，是桥梁建设技术进步的成果。

2.5 植筋工艺在工程加固的应用

为使混凝土新旧结构物得到很好的联接，形成一个整体，其中一条快捷而有效的途径就是采用植筋工艺。

由于承台要把新桩和旧桩联系成一个整体，因此首先在旧桩采用植筋的技术植入Φ20mm锚筋，钢筋端头弯钩，靠锚筋把承台钢筋联系起来。植筋范围：原桩基在承台范围按40cm×38.5cm沿周钻孔。植筋参数：孔深23cm，孔径22mm。植筋粘结材料：环氧树脂，固化剂和树脂的配合比为l:l。

植筋技术主要体现在它的抗拉能力，同时采用两种措施：(1)在旧桩上钻一定深度的孔，清洗干净，吹干水份后在孔内灌满环氧树脂；(2)钢筋端部切缝插入楔块，楔块采用长5cm的Φ8圆钢，把圆钢一端敲扁，插钢筋端部，再把钢筋打人孔中，使钢筋端部膨胀，在混凝土中形成锚头，用环氧树脂封孔。经横向水平植筋抗拉破坏性试验，锚筋单根破坏拉力均远大于设计抗拉力。

3 实例分析

3.1 主梁上部构造

本桥主梁采用单箱单室、三向预应力混凝土箱型断面。箱梁根部高7.0m，跨中及边跨5.0m赢线段梁高2.75m，梁高按2次抛物线变化，箱底宽5.0m，两侧悬臂长2.0m，全宽9.0m。顶板除0号块件两横隔板间及承托断面顶板厚58.4cm外，余者均为34.0cm。0号块件两横隔板间底板厚1.0m，余者由80cm厚按二次抛物线变化到跨中32cm厚。腹板厚分65cm、50cm两个等级，级间设过渡段。全桥共设置横隔板6道，即墩顶处4道，两边跨端部各设1道，各横隔板均设置了人涧以便施工。在两岸桥台处各设1道GL240伸缩缝和2个GPZ5D×盆式支座。

箱梁腹板上设有通风孔，一般设在梁段腹板的中心部位，可根据实际情况做适当调整。

箱梁0号段长12.0m，在托架上浇注。两侧各有15个节段，梁段数及梁段长度为7m×3.0m和8m×4.0m。1号～15号梁段采用挂篮悬臂浇注施工，悬臂浇注梁段最大控制重量118t，挂篮控制重量700kN。全桥共有3个合龙段，即两个边跨合龙段和1个中跨合龙段，合龙段长均为2m，在吊架上浇注。边跨现浇段长5.0m，在支架上浇注。

横桥向粱与台之间设钢筋混凝土挡块，挡块间预留5cm间隙，其间设4cm厚弹性橡胶垫块进行横向限位。

3.2 预应力设计

主梁为三向预应力结构。

纵向预应力钢束采用Φj15.24的钢绞线，，张拉控制应力，施工时均应超张拉3%。顶底板纵向预应力钢束均为两端张拉，采用OVMl5-16或OVMl5-12大吨位锚固体系，顶板钢束锚固于箱肋和腹板处，底板钢束均需设置下齿板锚固。

横向预应力钢束也采用中Φj15.24的无粘结钢绞线，。逐根张拉，采用一端张拉方式，沿桥轴线50cm左右间距布置，张拉端和锚固端交叉设置，采用0VMl5-1锚固体系。

3.3 下部构造与桥面系

桥墩均采用矩形空心薄壁墩，墩顶横桥向宽5.0m，两侧按50:1向下放坡，以增强其横桥向稳定性，桥墩纵桥向宽8.0m，纵横向墩壁厚均为1.20m；1号墩墩高70.00m，2号墩墩高72.00m；两墩每隔9.9m左右设置一道0.5m厚横隔板；两墩承台高为5m，平面外形尺寸为14.50m×14.50m。桩基础由6根桩径为2.5m的钻孔灌注群桩组成，桩底嵌入中等风化变质石英砂岩夹千枚状板岩层不小于8m。

在墩的周边布置有6.5mm的防裂HRB400钢筋，钢筋网格为8cm×8cm。全桥桥墩上均设有过水孔，以适应水库水位的变化。过水孔兼作通气孔用。全桥桥面铺装17cm厚，由8cm厚C40钢纤维混凝土(配10×10HRBΦ10钢筋网)加9cm双层沥青混凝土(与道路路面结构层相同)，水泥混凝土铺装与沥青混凝土桥面铺装之间三涂FYT-1型防水涂料。