大跨度连续刚构桥的研究和发展.doc

大跨度连续刚构桥的研究和发展(所属杂志：此文章来自原稿)发布时间：2008-07-16已阅读：1290 张伟，胡守增，韩红春，张勇（西南交通大学土木工程学院桥梁系，四川成都610031）摘要：介绍大跨度连续刚构桥的桥型特点，分析了连续刚构桥的结构受力特点，以及应用和发展现状，并以武汉军山长江公路大桥为例对其进行探讨；同时介绍了对连续刚构桥设计，施工控制等方面的创新方面的内容。关键词：大跨径；连续刚构桥；桥型特点；受力特点中图分类号：U448.23 文献标识码：A就当代技术水平而言，大跨度、特大跨度桥梁无论是在设计理论、施工方法、建桥材料等方面都存在自身固有的特点和困难，这些问题解决的合理程度，不仅直接影响着大跨度桥梁的发展，制约着大跨度桥梁建设的经济效益，而且影响着交通事业的发展以及人类征服自然的历史进程。在大跨径桥型方案比选中，连续梁桥型仍具有很强的竞争力。连续梁桥型在结构体系上通常可分为连续梁桥、连续刚构桥和刚构连续组合梁桥。后者是前两者的结合，通常是在一联连续梁的中部一孔或数孔采用墩梁固结的刚构，边部数孔解除墩梁固结代之以设置支座的连续结构。连续刚构是将连续梁的桥墩与梁部固结，以减小支座处的负弯矩和增强结构的整体性。由于墩属小偏压构件，故与连续梁的桥墩相比配筋并不增加很多，而梁体受力则更为合理，因而在同等条件下连续刚构要比连续梁更为经济。此外，墩梁固结也在一定程度上克服了大吨位支座设计与制造的困难，也省去了连续梁施工过程中墩梁临时固结、合拢后再行调整的这一施工环节。1 连续刚构桥的结构受力特点、应用及现状1.1 结构受力特点 连续刚构桥由于墩身与主梁形成刚架承受上部结构的荷载，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在结构上充分发挥了潜能，因此该桥型在我国得到迅速的应用和发展：具有一个主孔的单孔跨径已达 270m，具有多个主孔的单孔跨径也达250m，最大联长达1060m。随着新材料的开发和应用、设计和施工技术的进步，具有一个主孔的单孔跨径有望突破300m的潜力。而对于多跨一联的连续刚构是不是也能在联长上有更大的发展呢？众所周知，墩身内力与其顺桥向抗推刚度和距主梁顺桥向水平位移变形零点的距离密切相关。抗推刚度小的薄壁式墩身能有效地降低其内力，但随着联长的加大，墩身距主梁顺桥向水平位移变形零点的距离亦将加大，在温度、混凝土收缩徐变等荷载的作用下，墩顶与主梁一道产生很大的顺桥向水平和转角位移，墩身剪力和弯矩将迅速增大，同时产生不可忽视的附加弯矩，致使刚构方案无法成立。在结构上将墩身与主梁的团结约束解除而代之以顺桥向水平和转角位移自由的支座，这样就变成刚构连续组合梁的结构形式。于是边主墩墩身强度问题得以解决，且在一定条件下联长可相对延长。可见，刚构连续组合梁是连续梁和连续刚构的组合，它兼顾了两者的优点而扬弃各自的缺点，在结构受力、使用功能和适应环境等方面均具有一定的优越性。由于连续刚构受力和使用上的特点，在设计大跨径预应力混凝土桥时，优先考虑这种桥形。当然，桥墩较矮时，这种桥型受到限制。1.2 应用情况及现状PC连续刚构桥比PC连续梁桥和PCT型刚构桥有更大的跨越能力。近年来，各国修建PC连续刚构桥很多，随着世界经济发展，PC连续刚构桥将得到更快发展。1998年挪威建成了世界第一stolma桥（主跨301米）和世界第二拉夫特桥（主跨298米），将PC连续刚构桥跨径发展到顶点。我国于1988年建成的广东洛溪大桥（主跨180米），开创了我国修建大跨径PC连续刚构桥的先例。 1997年建成的虎门大桥副航道桥（主跨270米）为当时PC连续刚构世界第一。近几年相继建成了泸州长江二桥（主跨252米）、重庆黄花园大桥（主跨250米）、黄石长江大桥（主跨245米）、重庆高家花园桥（主跨240米）、贵州六广河大桥（主跨240米）。我国大跨径PC连续刚构桥型和PC梁桥型的建桥技术，已居世界领先水平。2 刚构连续组合梁桥举例说明武汉军山长江公路大桥设计完毕后，我们来看一下对一些问题的探讨。武汉军山长江公路大桥（设计单位：中交公路规划设计院、湖北省交通规划设计院）从结构方案比较，在维持主跨规模不变的前提下，为寻求一个受力合理、结构安全、适用美观的方案，对结构形式及主墩厚度作了计算比较。经过计算分析得出如下结论：(1)相同布跨和墩厚的两种方案，主梁的内力和位移相差较小，中主墩由于高度较大，且距顺桥向变形零点较近，内力相差也不大，而边主墩受力则相差悬殊。在连续刚构方案中，由于高度较矮，且距变形零点很远，因此，尽管在设计上采取了措施，在恒载、活载及温降组合情况下，墩身两端仍产生了很大的弯矩，而且靠外侧的墩身轴力难以提高，而在刚构连续组合梁方案中，墩底弯矩是由支座最大静摩阻力决定的，因此相对较小，另外墩顶轴力通过配重措施可以得到很好的解决。(2)墩身厚度的降低，迅速降低了墩身刚度，从而迅速减小了温度产生的墩身的荷载效应，对边主墩效果更为明显。但墩身厚度同时受截面应力状态和稳定性的限制，存在一个低限。然后是结构受力比较。设单柱式墩的截面尺寸为BX2H，双柱式墩为BXH，中心距2r，墩高相同。在其他条件相同的前提下，经计算，边主墩若采用单柱式墩，与采用双柱式墩相比较，主梁内力：中跨跨中的M，Q，N略有减小，边跨跨中和次边跨跨中的M，Q，N均略有增大；边主墩顶和中主墩顶的N，Q均略有增大，变化值不大，但M却增大很多。对边主墩顶：成桥状态增大81，最不利组合增大45；对中主墩顶：成桥状态增大 1.3，最不利组合增大6.l；中主墩墩身内力：N，Q略有增大，M成桥状态增大9，最不利组合增大8；主梁挠度；次边跨跨中汽车荷载挠度增大36，中跨跨中汽车荷载增大8。可见，边土墩采用双柱式可减小上部结构的计算跨径，降低箱梁截面内力和挠度。采用双柱式墩有利于施工阶段最大悬臂状态下的安全性。再者是构造和美观要求。最不利组合下墩顶的竖向力决定了支座的数量，大尺寸的大吨位支座的布置及在施工期间墩身与主梁的临时固结构造决定了墩身的最小平面尺寸。对本桥而言，若采用单柱式墩，其墩身厚度在6m以上，显得过于厚重，与轻巧的中主墩不协调，在材料用量上与双柱式墩相差很少。1 连续刚构桥的创新发展3.1 注意问题值得一提的是，双片柔性墩的出现使得连续刚构的受力更加合理，双壁墩不仅可以节省圬工材料，降低次内力，而且因为墩身分为两片，就如在墩顶插入一小跨，可以大大的降低负弯矩峰值乃至变号，但因墩较柔，防撞问题应予以足够的重视。预应力混凝土连续刚构桥型方案可以达到的最大跨径始终还要受到技术、经济条件的限制。以主跨280m的预应力混凝土连续刚构桥型方案初步设计为例，主梁根部最大梁高约为16m，活载占全部荷载比例已经不到7结构受力已经显得不太合理。大跨径连续刚构桥的主要缺点是自重大。连续刚构柔性桥，受收缩徐变影响较大、表现形式复杂。收缩徐变次内力对结构受力影响既是不利的，也是有利的。为使结构受力安全可靠，收缩徐变对结构长期受力行为的影响必须研究清楚。现在对于大跨度预应力混凝土连续梁或刚构，在设计计算阶段都能控制较好。但在施工运营一段时间后，跨中出现沉降，也有的远超过设计值，或者在通车后都出现了此类问题，没有几年都加固维修了。跨中下挠只是此类桥型的一种病害,我们的做法是适当加大设置跨中预拱度值，确保成桥后主梁不下挠。3.2 创新与发展通过对连续刚构桥的研究和以及分析，人们不断的对连续刚构桥设计、施工，材料等方面进行改进，新的结构体系、施工技术等层出不穷。例如宜万铁路宜昌长江大桥，它属于大跨度连续刚构柔性拱新型组合桥式结构，主桥采用 130m 2 275m 130m 连续刚构柔性拱组合桥式结构。近几年已经有了对铁路连续刚构车桥耦合横向振动初步的分析；同时也有了专门的连续刚构桥的施工专用程序JIAOKE BRIDGE SOFT（连续刚构施工