强度设计理念与大跨度P.C梁桥跨中下挠的关系

2018-05-02戚原,向伟

浙江建筑 2018年4期

戚原,向伟

(1.重庆渝富土地开发经营有限公司,重庆 400000；2.四川建筑职业技术学院,四川德阳 618000)

大跨度梁桥在长期运营过程中,普遍出现跨中下挠、开裂等病害,对于该类病害不同的研究者进行了大量的理论研究分析。牛艳伟等[1]以某75+125+75 m的预应力混凝土连续梁桥为背景,开展了跨中下挠的长期观测和成因分析,研究发现跨中下挠呈现“快速—缓和—快速”的发展特点,裂缝的出现是跨中下挠持续且加速发展的重要原因。陈宇峰等[2]从混凝土收缩徐变、预应力损失及箱梁开裂三个方面分析了各自对梁体下挠的影响。张玉杰[3]在其学位论文中开展了预应力损失及混凝土收缩徐变等对跨中下挠的影响研究。杨杰[4]提出用腹板斜向预应力束代替竖向预应力以抑制腹板开裂导致的刚度降低,从而控制跨中持续下挠。由此可见,不同的研究者对于大跨度梁桥跨中下挠的成因有不同的见解,多数研究者认为跨中长期下挠与混凝土收缩徐变有关,但也有研究[5]通过计算得出混凝土收缩徐变影响有限,从而质疑徐变是影响跨中下挠的主要因素。

不同的设计单位所设计的大跨度桥梁其长期运营过程中几乎都出现了不同程度的同类病害,其中是否包含设计理念的问题,现有强度设计理念与大跨度P.C梁桥跨中下挠存在什么样的关系,是本文探讨的初衷。

1 大跨径梁桥的病害与反思

原国际结构混凝土协会(CEB)针对跨径53～195 m范围的27座P.C连续梁桥的跨中下挠进行了长期观测,发现在通车8～10年后仍有明显的增长趋势。大量的统计资料表明,大跨径梁桥在下挠不严重的情况下,梁体运营情况尚好,但是当下挠到一定程度后(即主梁跨中挠跨比达到一定值时),梁体开始出现开裂现象,开裂后的梁体刚度削弱,会导致梁体进一步下挠,进而恶性循环。见表1,当长期挠度与跨径之比小于L/1 600时,梁体未出现开裂现象,而当长期挠度与跨径之比大于L/1 600时,梁体普遍出现开裂现象。

表1 国内外大跨径P.C梁桥跨中下挠及开裂病害统计情况

受此启发,如果大跨径混凝土梁桥的长期下挠可以得到控制,则梁体的运营过程中不会出现开裂病害。在后期运营过程中,外部荷载不存在太大的变化,但却出现了持续性地下挠,通常认为徐变下挠是最主要的因素。而大跨径P.C混凝土梁桥在施工过程中经历了悬臂浇筑,边、中跨合拢,施加二期恒载等施工阶段,受力体系不断发生变化,最终进入成桥运营阶段。如果定义最大悬臂状态下的挠度为f1,施加二期恒载后的挠度为成桥挠度f2,则桥梁在成桥后时间t内的总下挠值f(t)为：

(1)

显然f2是由两部分组成的,一部分是最大悬臂状态下的挠度即一期恒载挠度f1,另外一部分是由于施加二期恒载后梁体的下挠值。徐变终极系数φ(t,t0)的影响因素复杂,因而为减小徐变下挠值,主要有以下两种思路：一种是减小最大悬臂状态下的挠度f1,即悬臂施工零挠度设计理念,这一设计理念由范立础院士1988年在其主编的《预应力混凝土连续梁桥》[6]一书中提出,文献[7]采用恒载零弯矩法进行预应力配束设计,有效地降低了梁体在恒载状态下的挠度。另外一种思路,则是采取措施尽量减小施加二期恒载引起的挠度部分,这一部分挠度受结构体系、截面尺寸等影响,部分研究者提出了增大梁体跨中截面梁高的措施,即希望通过增大梁体刚度来减小主梁恒载挠度。

结合表1和式(1)分析可知,如果能够在设计过程中控制恒载挠度,则长期下挠可以得到控制,且当长期下挠值不超过L/1 600时,梁体运营情况良好。为此需要从设计层面去控制恒载挠度。

2 强度设计理念

2.1 强度设计理念与成桥挠度的关系

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范(JTGD62—2004)》规定对公路桥涵应进行以下两种极限状态设计,即承载能力极限状态及正常使用极限状态设计。考虑三种设计状况,即持久状况、短暂状况及偶然状况。其中承载能力极限状态设计主要针对构件的承载力及稳定性进行设计,必要时尚需进行结构的倾覆和滑移验算,强调结构的强度和稳定性设计。正常使用极限状态,则是采用不同的荷载效应组合对构件的抗裂性、裂缝宽度及挠度进行验算。构件的抗裂性及裂缝宽度验算本质上仍是材料的强度问题。规范[8]仅考虑了活载刚度指标,即第6.5.3条规定：“钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件的长期挠度值,在消除结构自重产生的长期挠度后梁式桥主梁的最大挠度处不应超过计算跨径的1/600；梁式桥主梁的悬臂端不应超过悬臂长度的1/300。”显然,现行桥涵设计规范未对恒载挠度进行控制,如果采用L/600进行恒载挠度控制,必然会产生过大的长期下挠并导致形成开裂病害。

由此可见,现行桥涵设计规范主要是基于强度设计的理念进行极限状态设计。其预应力筋配束,目的是确保施工全过程及成桥后结构的强度指标满足设计要求。然而，由于强度设计理念是一个宽泛的设计原则,设计人员在对不同桥进行设计时,灵活性非常大,导致不同桥的设计尽管都满足了规范对强度指标的验算要求,但却在其他指标上存在较大的差异。例如在恒载挠度或者恒载不平衡弯矩上,存在显著的差异。为了解这种设计上的灵活性可能给桥梁结构后期运营带来的隐患,笔者向各大设计院搜集到了6座大跨径P.C混凝土梁桥的资料,并采用Midas Civil软件进行了考虑施工过程的计算,目的是考察对比合拢并施加二期恒载后桥梁的成桥挠度。

图1～6分别给出了6座大跨径P.C.混凝土梁桥竣工时的成桥挠度云图,即恒载挠度云图。

图1 某四跨连续刚构桥(60+2×110+60 m)

图2 某三跨连续刚构桥(55+100+55 m)

图3 某三跨连续刚构桥(80+150+80 m)

图4 某三跨连续刚构桥(66+120+66 m)

图5 某三跨连续刚构桥(65+125+65 m)

图6 某三跨连续刚构桥(65+120+65 m)

由图1～6可见,由于设计人员在预应力筋配束上的灵活性导致各桥的成桥恒载挠度存在明显的差异,梁体恒载下挠最大值汇总见表2。

表2 基于强度设计理念设计得到的不同桥的成桥挠度

由表2可见,采用相同的基于强度设计理念设计的大跨度梁桥,其成桥跨中恒载挠跨比相差非常大。按照徐变系数终极值取3.0计算,要使长期挠跨比不超过L/1 600,则成桥恒载挠度需要控制在L/4 800以内。按照这一指标看,6座桥中有5座桥不满足恒载控制指标要求。

需要说明的是,表2中序号3(跨径布置为80+150+80 m)的三跨连续刚构桥,其成桥恒载挠度,中跨出现了反拱,边跨则是下挠,这主要是由于预应力度引入过大所致。

2.2 成桥挠度与长期下挠的关系

显然,前述基于强度设计理念设计的6座大跨度梁桥,其施工及运营阶段均是满足强度验算指标的。其成桥线形也可以通过施工时的预拱度设置来进行调整。预拱度设置的目的是为抵消桥梁的恒载下挠和运营期长期下挠而考虑的,但却对梁体严重下挠可能产生的梁体开裂等病害没有作用。如前所述,只要当梁体的跨中下挠达到一定程度,即相对挠跨比δ/L≥1/1 600,梁体即会出现开裂等病害,并进一步加剧梁体下挠。

成桥恒载挠度与长期挠度之间的关系可由式(1)进行定性描述。基于强度设计理念设计得到的6座大跨径梁桥,仅有一座满足恒载挠度小于L/4 800的恒载挠度要求。