大跨徑預(yù)應(yīng)力溷凝土箱梁橋的設(shè)計(jì)問題-呂志濤課件

1、大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的設(shè)計(jì)問題東南大學(xué) 呂志濤2009.5引 言 (1) 我國橋梁建設(shè)的新跨越 (2) 長(zhǎng)江江蘇段的大橋 (3) 箱梁橋出現(xiàn)的主要問題 腹板開裂與跨中下?lián)?. 腹板主預(yù)應(yīng)力束的設(shè)置 彎曲預(yù)應(yīng)力筋不可少 2. 豎向預(yù)應(yīng)力筋的采用 (1) 豎向預(yù)應(yīng)力筋存在的問題 (2) 豎向預(yù)應(yīng)力筋的選用與對(duì)日本NAPP技術(shù)的認(rèn)識(shí)3. 箍筋的合理配置及腹板的合適厚度 (1) 箍筋不抗裂、只提高受剪承剪力 (2) 腹板不能過薄4. 大跨徑箱梁橋的跨中下?lián)蠁栴} (1) 開裂對(duì)下?lián)系挠绊?(2) 剪力對(duì)撓度影響的考慮5. 材料選擇及其它結(jié)束語引 言 最近幾年，我與橋梁工程界有較多接觸。隨后，我進(jìn)一步

2、感到，我國是土木工程大國，并正在向土木工程強(qiáng)國跨越。同時(shí)，感到國內(nèi)絕大多數(shù)橋梁工程是我國工程師自行設(shè)計(jì)的，不象建筑界，尤其是一些大型文體建筑、公共建筑的建筑方案往往是國外建筑師提出的，從而，以致某些城市出現(xiàn)了不少“新”、“奇”、“特”建筑，并且，有的建筑，結(jié)構(gòu)不合理，材料多消耗， 但是，我認(rèn)為，橋梁工程在設(shè)計(jì)上，也有著很大的改進(jìn)和提高的空間。本文從結(jié)構(gòu)工程角度對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的設(shè)計(jì)問題談些看法。 (1) 我國橋梁建設(shè)的新跨越 進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，土木工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新跨越，特別迎來了橋梁建設(shè)的偉大時(shí)代。在長(zhǎng)江三角洲，中西部山區(qū)，橋梁建設(shè)的精兵強(qiáng)將們會(huì)戰(zhàn)在千米級(jí)

3、超大跨徑跨江橋梁和數(shù)十公里超長(zhǎng)跨海大橋的工地上。一座座橋型各異，跨度大、技術(shù)難度高的現(xiàn)代化橋梁建設(shè)，已經(jīng)開始引領(lǐng)世界橋梁建設(shè)的發(fā)展，我國正由橋梁大國向橋梁強(qiáng)國大步邁進(jìn)。 至去年6月底，我國 主跨400m以上的橋梁已建成54座，在建18座； 主跨600m以上的橋梁已建成19座，在建12座； 主跨800m以上的橋梁已建成 9座，在建 9座； 主跨1000m以上的橋梁已建成6座，在建 5座；圖1 南京長(zhǎng)江第四大橋 主跨為1418m的雙塔懸索橋圖2 泰州長(zhǎng)江大橋 雙主跨21080m三塔懸索橋 1. 腹板主預(yù)應(yīng)力束的設(shè)置 彎曲預(yù)應(yīng)力束不可少 大跨徑預(yù)應(yīng)力箱梁橋主要有連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。并且，它們多為變

4、截面箱梁。 大家知道，為了抵抗梁的自重和梁上的荷載所引起的彎矩和剪力及其產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，防止梁跨中下部出現(xiàn)豎向裂縫和梁腹中產(chǎn)生斜向裂縫，提高梁的受彎承載力和受剪承載力，箱梁橋腹板中應(yīng)配置有足夠的主預(yù)應(yīng)力束，并且，通常，它由縱向預(yù)應(yīng)力束和離支座不同距離處的下彎預(yù)應(yīng)力束組成，如圖3示。 但是，80年代末以來，國內(nèi)不少大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)的箱梁橋設(shè)計(jì)中采用了全部直線式的縱向預(yù)應(yīng)力束(沒有下彎預(yù)應(yīng)力束)，另加豎向預(yù)應(yīng)力筋的方案，如圖4示。圖3 有下彎束的主預(yù)應(yīng)力配束方案圖4 直線式的主預(yù)應(yīng)力配束方案 80年代末提出的這種僅配直線預(yù)應(yīng)力束的方案的目的是簡(jiǎn)化施工，減少預(yù)應(yīng)力束的摩擦

5、損失。然而，近二十年來，按這種設(shè)計(jì)方案建造的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，普遍地在梁腹中出現(xiàn)斜裂縫，有的甚至相當(dāng)嚴(yán)重。 2003年我在浙江省交通廳一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，也專門講過這一問題。同時(shí)，他們告訴我，二十多年前設(shè)計(jì)建造的以及最近幾年設(shè)計(jì)建造的連續(xù)梁橋及連續(xù)剛構(gòu)橋由于加設(shè)了彎起預(yù)應(yīng)力束，腹板斜裂縫大為減少，甚至沒有出現(xiàn)。 該大橋孔跨布置為230m+45m+70m+45m+230m，全長(zhǎng)280m，主橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋，雙箱雙室截面，支點(diǎn)梁高4.21m，跨中梁高2.21m，梁底曲線為二次拋物線，箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。主預(yù)應(yīng)力配束方案為直線束、彎起束、下彎束，其中下

6、彎束較多。 因此，正確的縱向主預(yù)應(yīng)力束的配束方案，應(yīng)該是按彎矩包絡(luò)圖配置足夠的直線束和下彎束。因?yàn)榕渲昧祟A(yù)應(yīng)力下彎束后，不僅可抗彎，而且能提供較高的預(yù)剪力，可平衡較多的自重剪力、活載剪力，減小箱梁截面上的剪應(yīng)力。同時(shí)，可消除可能在梁較高區(qū)段的腹中出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力盲區(qū)。 另一個(gè)重要問題是：應(yīng)配置多少主預(yù)應(yīng)力束？這個(gè)問題我沒有考慮好，一般地可取用抵抗全部自重彎矩加上一半活載彎矩所需要的。 (2) 豎向預(yù)應(yīng)力筋的選用及對(duì)日本NAPP技術(shù)的認(rèn)識(shí)： 如何保證豎向預(yù)應(yīng)力的有效性？不少設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，與所選用的預(yù)應(yīng)力筋的品質(zhì)關(guān)系極大，因此，他們提出了全部采用進(jìn)口的精軋螺旋粗鋼筋，甚至要求梁高小于10m的區(qū)段需全部采

7、用日本的預(yù)應(yīng)力中空鋼棒，并采用日本東方建設(shè)株式會(huì)社提供的NAPP工法。 日本NAPP工法中的預(yù)應(yīng)力中空鋼棒結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意如下圖：圖10 預(yù)應(yīng)力中空鋼棒結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意 預(yù)應(yīng)力中空鋼棒主要由中空鋼棒、反力鋼棒、NAPP支座、錨固螺母、末端支座組成。中空鋼棒與反力鋼棒之間還填充了樹脂以滿足耐久性要求。 它是一種先張法工藝。在工廠預(yù)先施工預(yù)應(yīng)力，混凝土澆筑前，將其施工在設(shè)計(jì)位置，然后澆筑混凝土，達(dá)到強(qiáng)度后，采用專用的釋放設(shè)備釋放張拉力，同時(shí)也將預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入到混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。 中空鋼棒是很貴的。一座200多米的連續(xù)剛構(gòu)橋就要為此多花費(fèi)千萬元計(jì)（比精軋螺旋鋼筋方案）。 據(jù)有關(guān)資料介紹，預(yù)應(yīng)力中空鋼棒技術(shù)在19

8、92年由日本東方建設(shè)株式會(huì)社和高周波熱煉株式會(huì)社開發(fā)研制。 精軋螺紋粗鋼筋與預(yù)應(yīng)力中空鋼棒的比較： 精軋螺紋粗鋼筋采用后張法，并要求灌漿； 預(yù)應(yīng)力中空鋼棒采用先張法，不需灌漿但要填充樹脂。 當(dāng)梁高15m時(shí)，兩種工藝的預(yù)應(yīng)力損失基本相同；當(dāng)梁高較矮時(shí)，精軋螺紋粗鋼筋預(yù)應(yīng)力損失較大。 3. 箍筋的合理配置及腹板的合適厚度 (1) 箍筋不抗裂，只提高受剪承載力 不少設(shè)計(jì)人員，甚至一些學(xué)者，認(rèn)為箱梁腹板斜裂縫問題嚴(yán)重，也可采用多配箍筋的辦法。這混淆了抗裂與受剪承載力兩者的概念。提高截面的受剪承載力與增加抵抗斜裂縫出現(xiàn)荷載的能力(受剪抗裂性)并不是一回事?？沽研圆缓貌坏扔谑芗舫休d力差。 加密箍筋有利于提

9、高梁的受剪承載力，但并不能防止腹板中斜裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)然，多配箍筋，對(duì)斜裂縫出現(xiàn)之后的開展是有抑制作用的。但是，不應(yīng)該在箱梁滿足受剪承載力條件下，一味地增大配箍量，那樣做，反而會(huì)增加施工難度和影響混凝土的澆筑質(zhì)量。 因此，在有的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)垂直箍筋和水平腰筋都很粗、很密的情況（如：1612cm）。我認(rèn)為，如此粗密的配箍在15m高的梁中，是很難綁扎施工的。并且，我估計(jì)是過分保守的。因?yàn)榧词乖谥ё鶇^(qū)段，如果出現(xiàn)剪切破壞，那一定是斜壓破壞，而這時(shí)，是由梁的截面厚度和混凝土抗壓強(qiáng)度控制的，箍筋肯定是過分富裕的。 還應(yīng)提出，對(duì)于變高度梁，沿梁長(zhǎng)的剪力分布從支座到跨中的下降比直線等截面梁快得多(如圖11示)。

10、當(dāng)梁高變化，梁腹板厚度也變化的情況下，尤其如此。因此，大跨度箱梁中的箍筋配置量應(yīng)該是變化的，并且在跨中附近很大部分區(qū)段只需按構(gòu)造設(shè)置。圖11 等截面梁與變高、變厚度梁的自重剪力分布示意跨中支座剪力 (2) 腹板混凝土厚度不能過薄 腹板混凝土厚度與開裂前主拉應(yīng)力的大小密切相關(guān)，而且梁的受剪承載力也不能只靠拼命增加箍筋的辦法，而應(yīng)該采用梁的截面尺寸(截面厚度和高度)和混凝土強(qiáng)度的乘積與配箍量相匹配的辦法。 所以，不能為了美觀、為了減輕梁的自重，將箱梁的箱壁設(shè)計(jì)得過薄。建筑結(jié)構(gòu)中混凝土梁的截面限制條件是值得箱梁橋設(shè)計(jì)者們參考和借鑒的。4. 大跨徑混凝土箱梁橋的跨中下?lián)蠁栴} 通常認(rèn)為，跨中下?lián)鲜且驗(yàn)榛?/p>

11、凝土的收縮和徐變較大，預(yù)應(yīng)力損失過大，施工工藝不好，日照溫差作用以及箱梁的空間作用沒有計(jì)算好等因素所致。 引起 導(dǎo)致 開裂 剛度降低 撓度增長(zhǎng)。 所以，變形與開裂多是“并發(fā)癥”。一般地認(rèn)為實(shí)際上， 根據(jù)S.Timoshenko的高等材料力學(xué)，對(duì)于L/h10的梁，在彈性階段，可忽略剪切對(duì)撓度的影響，所以，一般地，計(jì)算撓度時(shí)，只計(jì)及梁的彎矩作用及梁的彎曲剛度。 但是，我認(rèn)為，對(duì)于混凝土薄腹(箱)梁，其撓度的計(jì)算，不能僅計(jì)算彎矩的作用，還應(yīng)考慮剪切的影響。因?yàn)楸「沽褐械募魬?yīng)變大，Q的影響不可忽略，斜裂縫出現(xiàn)后，梁的剪切剛度有很大降低，梁的撓度進(jìn)一步增長(zhǎng)，且隨斜裂縫開展，梁的撓度不斷增加。德國學(xué)者F.

12、Leonhardt曾提出，對(duì)于L/h12的混凝土梁，剪切引起的撓度可達(dá)彎矩引起的撓度的20%300%。 然而，剪切對(duì)梁的撓度的影響的計(jì)算，是個(gè)難題，因而，梁腹斜裂縫開展寬度及其對(duì)梁中下?lián)系挠绊懹?jì)算，迄今，仍是無公認(rèn)的解答，盡管1963年，我已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問題。 剪切應(yīng)力及斜裂縫對(duì)梁的撓度的影響的計(jì)算，筆者認(rèn)為，可以借助于折算剛度GA法或桁架模型或數(shù)值有限元分析等方法去近似地解決。 混凝土的收縮、徐變及其變異對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)期間的內(nèi)力和變形會(huì)有不小的影響。因此，應(yīng)選用并配制收縮和徐變系數(shù)小的混凝土，并嚴(yán)格控制水灰比和澆筑質(zhì)量，以減少長(zhǎng)期影響。 為了防止大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的開裂和下?lián)霞捌潆S時(shí)間的

13、增長(zhǎng)，也可適當(dāng)預(yù)留備用預(yù)應(yīng)力束(體外束或體內(nèi)束)，到需要的時(shí)候，補(bǔ)張拉以改善橋梁運(yùn)行狀況。結(jié) 束 語 (1) 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋(連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋)具有不少突出的優(yōu)點(diǎn)，在公路橋梁建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。但是，同時(shí)，近二十年暴露出的腹中開裂和跨中下?lián)系葐栴}，說明在橋梁工程設(shè)計(jì)中有著很大的改進(jìn)和提高的空間。 (2) 從二十多年前和近幾年的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋工程實(shí)踐看出，最近二十年設(shè)計(jì)中下彎束的取消是導(dǎo)致腹板斜裂縫出現(xiàn)的重要原因之一。下彎束抵抗主拉應(yīng)力及斜裂縫的出現(xiàn)是最有效的。 (3) 由于豎向預(yù)應(yīng)力束較短，預(yù)應(yīng)力作用的有效性得不到保障。因此，跨中區(qū)域剪力較小且梁高較小，豎向預(yù)應(yīng)力更不應(yīng)設(shè)置。參 考 文 獻(xiàn)1 JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范S. (JTG D62-2004 Code for Design of Highway Reinforce Concrete and Prestressed Concrete Bridges and Culverts S. (in Chinese)2 S. Timoshenko著, 蕭敬勛譯. 材料力學(xué)M. 天津: 天津科學(xué)技術(shù)出版社