大跨度PC连续刚构桥技术成就与展望

2017-01-10张利铨

湖南交通科技 2016年4期

关键词：刚构桥高墩跨度

张利铨

(福州海峡建设发展有限责任公司，福建福州 350028)

大跨度PC连续刚构桥技术成就与展望

张利铨

(福州海峡建设发展有限责任公司，福建福州 350028)

预应力混凝土连续刚构桥是我国最为常用的桥型之一，已取得显著的成就。通过收集大量在役的实桥资料，发现我国大跨度连续刚构桥结构的计算分析手段还有待提高，需要进一步研究；通过对在役的连续刚构桥的病害情况进行分析，发现箱梁的腹板开裂、跨中过度下挠的现象较为普遍，对结构的受力性能有一定的影响；在此基础上，提出连续刚构桥的设计计算方法需要进一步研究的内容，并结合新材料、新结构的研究进展，对连续刚构桥结构体系的优化提出展望。

连续刚构桥；超高墩；新材料；技术成就；展望

0 引言

基于PC连续刚构桥在受力性能、施工工艺、运营维护等多方面的优越性，该桥型已经在国内的高速公路、市政工程等项目得到广泛的应用。从既有的桥梁的运营情况看，未发现明显的工程缺陷，但也已发现一些具体的问题，比如腹板开裂问题、长期下挠问题等，这些问题尚未得到圆满解决。国内的桥梁建设者、研究者已经针对这种桥型的受力特点，开展系统深入的研究，也已取得一些成果。本文首先对PC连续刚构桥的应用与发展进行介绍，对工程实践中存在的问题进行分析，同时对既有的研究进行综述，并对今后的研究进行展望。

1 PC连续刚构桥的应用与发展

材料的发展与工程技术的发展息息相关。19世纪末，由于混凝土的发明，并与钢筋的结合，从而诞生了钢筋混凝土结构。上世纪20年代至50年代，由于在预应力技术的发展，逐步出现了预应力混凝土连续梁桥、T型刚构桥等桥型。在这个阶段建造的桥梁的跨度一般不大，且墩高有限，桥梁的建造常采用满堂式支架现浇施工工艺。

随着社会的发展与进步，需要建造一些高墩大跨度桥梁，在这种情况下，若仍采用传统的满堂式支架现浇施工工艺将是困难的。混凝土桥梁建设者受传统钢桥的悬臂拼装施工法的启发，将其应用于预应力混凝土连续梁桥、T型刚构桥的现浇施工中。

在上世纪50年代，出现了悬臂对称浇筑的施工工艺。这种工艺若用于PC连续梁桥，则需要在施工过程中，采取临时措施对墩、梁进行固结，待成桥后将临时固结拆除，因此存在结构体系转换的问题。此后，出现了T型刚构。这种桥型没有体系转换的问题，但各T型刚构之间采用简支梁挂孔进行成桥，其伸缩缝过多，在行车方面存在明显的缺陷，且伸缩缝容易损坏，养护费用较高。

大跨度PC连续刚构桥克服了PC连续梁桥、T型刚构桥在结构性能上的不足，且其墩梁采用固结处理，减少了支座的费用，具有明显的优越性。在结构受力分析方面，大跨度PC连续刚构桥属于高次超静定结构，其计算工作量明显大于传统的静定结构。随着计算机技术的发展，近年来已出现大量的自编程序或商业化软件，开展大跨度PC连续刚构桥的结构分析计算已不再是难题。因此，大跨度PC连续刚构桥与材料科学、计算机科学、施工技术的发展密切相关，近年来已得到较快的发展，表1列出了国内外具有代表性的大跨度PC连续刚构桥。

表1 国内外大跨度PC连续刚构桥[1]序号桥名国家年代跨径/m1Stolma桥挪威199894+301+722Raftsundet桥挪威199886+202+298+1253Gateway桥澳大利亚1979145+260+1454Mooney桥澳大利亚1989130+220+1305虎门副航道桥中国1997150+270+1506重庆黄花园大桥中国1995137+3×250+1377黄石长江大桥中国19951625+3×245+16258江津长江大桥中国1997140+240+1409平潭海峡大桥中国2010100+2×180+100

2 PC连续刚构桥在工程实践中存在的问题

2.1 超高墩的极限承载力计算

我国钢筋混凝土高墩的建设已经取得举世瞩目的成就。2006年8月9日，当时被誉为“亚洲第一高墩大桥”—黄陵至延安高速公路上的洛河特大桥在陕西省洛川县建成，该桥主墩高达143.5 m；2012年通车的雅(安)西(昌)高速公路的腊八斤沟特大桥，其10号桥墩高达182.5 m；2013年4月，贵州省赫章特大桥合龙，其主墩最高已经达到195 m。在西部山区或地处丘岭的偏远地带，在已建成或正在设计规划中的高等级公路中，墩高超过40 m的高墩桥梁占桥梁总数的40%以上。表2列出了国内一些连续刚构桥的墩高统计表，可见我国墩高超过百米的连续刚构桥已经较多。

表2 连续刚构桥的墩高统计表[2-4]桥梁名称主跨/m最高墩/m云南红河特大桥2651215贵州猴子河特大桥220132陕西葫芦河特大桥160138陕西洛河特大桥1601435贵州虎跳河特大桥225150贵州乌江特大桥220151湖北双河口特大桥170166贵州二郎河特大桥2001671云南莽街渡特大桥220168贵州桐梓河特大桥200172湖北龙潭河特大桥200178四川腊八斤特大桥2001825贵州赫章特大桥180195内昆铁路花土坡特大桥104110内昆线清水河大桥128100广东清连路杜布一号桥125110

我国钢筋混凝土高墩的极限承载力的计算方法有非线性有限元方法和基于JTG D62-2004规范的实用计算方法[5]。JTG D62-2004规范采用等效梁柱法，根据高墩的边界条件，将其等效为相应长度的标准柱(两端铰接的偏压柱)，然后按钢筋混凝土偏压柱的承载力计算公式进行高墩的承载力设计计算。JTG D62-2004规范中高墩的计算长度源自理想轴压构件的弹性稳定理论，将弹性理想轴压构件的欧拉计算长度作为钢筋混凝土桥墩的计算长度。然而，这种取值方法既未从墩顶复杂的边界条件出发，也未考虑墩底地质情况的复杂多变，与桥墩的实际受力状态有很大的差异[6,7]，需要进一步重点研究。

慢性乙肝患者病情十分反复，并且一旦发作，就很难治愈，对患者的身心健康都会产生严重的打击，因此，在对患者进行治疗的过程中，需要给予其有效的护理措施，以改善患者的病情，并促进患者生活质量的提升[7-8]。根据研究表明，临床优质护理的实施能够改善患者的心理及生理状态，让患者尽心积极配合，增加其抵抗病毒的能力，促进身体的恢复[9-10]。

2.2 连续刚构桥弯箱梁的结构静力分析计算

弯箱梁在自重作用下，主梁的受力呈现明显的弯扭耦合特征。当车辆以一定的速度在弯桥上行驶时，由于冲击力、制动力、离心力效应，主梁的弯扭耦合受力现象更为明显。目前的工程设计中连续刚构桥的设计计算常沿用以往的平面杆系计算模型进行结构分析，并通过偏载增大系数考虑其空间效应。这种计算方法用于直线桥已经较为粗略，若用于弯梁桥的内力分析，其误差可能较大，甚至可能因考虑不周而对结构的安全埋下隐患[8]。

2.3 预应力索的合理布置

近年来，从已建成的大跨度PC连续刚构桥的桥检报告看，这类桥主要存在3个突出的问题，其一是发现这类桥的长期挠度过大；其二是腹板普遍存在不同程度的斜裂缝；其三是部分桥梁的底板出现崩裂。而腹板斜裂缝和底板裂缝的发展与桥梁的长期挠度之间又存在一定的耦合作用[9-13]。

理论上，采用竖向预应力显然可有效减小腹板的主拉应力，然而，由于竖向预应力管道对箱梁腹板面积的削弱，以及竖向预应力的施工所带来的施工方面的难度，也是今后的设计需要进一步研究并加以改进的问题。

2.4 连续刚构桥的抗震性能

连续梁桥的下部结构和上部结构之间设置支座，当发生地震时，支座可起到很好的耗能作用，在一定程度上削弱了上部结构的惯性力对桥墩的剪切作用。然而，连续刚构桥的下部结构和上部结构之间采用固结，且其结构特点多为高墩、大跨度。高墩在地震作用下，将产生很大的位移；而连续刚构桥的重量主要集中在桥面系，在地震作用下，将产生很大的惯性力，从而使得桥墩墩底承受很大的剪力和弯矩。因此，从结构抗震的角度，连续刚构桥的桥墩需承受更严峻的考验。

以汶川庙子坪大桥为例，该桥主桥为3跨连续刚构桥，该桥桥墩高度在百米以上，在汶川地震遭受严重的损坏。该桥的地震动以沿纵桥向为主，由于高墩对位移反应的放大作用和上部位置较高且质量很大，水中桥墩发生了开裂[14]，修复非常困难，付出了很大的代价。

3 展望

3.1 连续刚构桥结构设计计算理论

连续刚构桥钢筋混凝土高墩是最为常用、最为重要的构件之一，然而，研究表明，针对其失效机理、极限承载力计算、非线性变形计算等方面的研究均存在不足，这与我国作为桥梁大国的地位是不相称的，这种理论研究严重滞后于工程建设的局面必须改变。目前我国连续刚构桥的上部结构设计计算手段仍有一定的局限性；在预应力的布置方式上，已有一些学者开展研究[15]，今后还需进一步在长期预应力损失的计算与预测、预应力束的合理布置、预应力度等方面开展研究，以便从根本上解决连续刚构桥长期下挠等问题。

3.2 新材料和新工艺的应用

连续刚构桥的施工方法有悬臂浇筑法和悬臂拼装法两类。其中悬臂浇筑法在实际工程中应用较多，悬臂拼装法的应用相对较少。

悬臂浇筑施工法较为方便，其施工工艺已经非常成熟，可用于跨越江河或深谷的大跨径桥梁。采用这种施工工艺，其缺点是施工周期较长；在气温较低的地区，其合拢段的施工较为困难。

相比之下，悬臂拼装法的工期较短，但由于节段的运输和安装等需要较多的大型设备，在拼接缝的处理上也存在一些困难，因此其总体造价相对较高。制约连续刚构桥的悬臂拼装法施工的主要问题是其预制节段的自重大，运输和安装均较为困难。因此，减轻预制节段的自重已成为悬臂拼装法施工能否进一步发展的关键问题。

在役的连续刚构桥较多出现腹板开裂的情况。由于混凝土的抗拉强度很低，需要通过施加预应力起到抵抗腹板主拉应力的效果。若腹板采用抗拉强度较高的新材料，则有望解决箱梁桥腹板开裂的问题。近年来，波形钢腹板-混凝土组合梁桥、超高性能混凝土梁桥的研究已较为深入，在结构弯剪扭受力性能、剪力滞效应、桥面板有效分布宽度、极限承载力、挠度计算以及有限元模拟方法等方面已取得一定的成果。采用这些新材料、新结构建造的箱梁桥腹板具有较强的抗拉强度，无需设置竖向预应力钢筋就能满足结构承载要求，可有效避免腹板出现开裂的现象。

现有的连续刚构桥多采用普通混凝土建造，由于上部结构自重较大，限制了其跨越能力。若采用新材料、新结构进行建造，可大幅减轻上部结构的自重，增大桥梁的跨越能力，并改善其抗震性能。在连续刚构桥的预应力体系的设计上，也将可能发生从体内索布置至体外索布置的根本性变革。同时，现有的大跨度连续刚构桥自重很大且预应力钢束用量较多，由于在长期的自重作用下的徐变以及钢束的长期松弛，使得连续刚构桥普遍出现跨中下挠过大的现象。若其上部结构采用新材料、新结构进行建造，且通过合理的体外预应力布置，也可能在一定程度上解决这个棘手的难题。因此，如何利用新材料、新结构、新工艺进行高墩大跨连续刚构桥的建设，是今后需要重点研究的课题。

4 结论

连续刚构桥具有施工方便、建造及养护的费用较低，且桥型较为美观等优点，已得到广泛的应用，是我国最为常用的桥型之一。然而，研究表明，我国连续刚构桥的结构设计计算理论还不成熟，需要进一步开展研究。对桥梁上部结构的计算分析、桥墩的计算长度和钢筋混凝土柱的承载力计算等研究成果进行综述，对仍存在的问题进行剖析，并对今后需要开展的研究进行展望，为后续的研究打下基础。

对现有的连续刚构桥上部结构常见病害(如腹板开裂、跨中下挠)的原因进行剖析，并对常规的设计方法所存在的不足进行讨论。在收集国内外相关研究资料的基础上，结合近年来新材料、新结构、新工艺的研究进展，提出若采用波形钢腹板-混凝土组合结构或超高性能混凝土替代现有的普通混凝土，进行连续刚构桥上部结构建造，不仅可大幅减轻上部结构自重，也可能从根本上解决现有的连续刚构桥上部结构所出现的病害问题，从而推进连续刚构桥的创新与发展。

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