大跨PC梁式桥长期下挠控制的新方法

薛兴伟,熊　英,钟一鸣(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳　110168)

大跨PC梁式桥长期下挠控制的新方法

薛兴伟,熊英,钟一鸣
(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168)

针对混凝土梁式桥出现不同性质的裂缝和挠度过大的问题,通过研究无应力状态法的原理,结合连续梁一次落架与悬臂施工的力学差异,以某160 m跨刚构桥为例,在施工过程以无应力状态法对施工进行控制,结果证明,无应力状态法可以有效减少跨中挠度、墩顶弯矩,对长期下挠控制是有效的,能够为解决大跨梁式桥的挠度问题提供参考.

PC梁式桥;下挠控制;无应力状态法;力矩

0　引　言

由于各种原因,大量预应力混凝土梁式桥易出现许多不同性质的裂缝且存在挠度过大的问题,而且随着桥梁跨度的增大,这些问题越来越严重[1].根据中国知名桥梁学者、清华大学博士后谢峻的调查研究报告[2],预应力混凝土桥梁开裂是全世界的普遍问题[3-4].国内的预应力混凝土桥梁大都存在裂缝问题,大约有34%为轻度开裂,21%为中度开裂,45%为重度开裂.桥梁开裂、挠度过大等导致的安全隐患一直是预应力混凝土桥梁结构中被普遍关注的问题.

无应力状态法是秦顺全提出的一种解决桥梁分阶段施工的理论控制方法,于1993年在武汉长江二桥工程上第一次成功运用,至今已在国内外有30多个成功案例,主要应用于斜拉桥、悬索桥、拱桥等桥型的施工控制.

本文拟通过研究无应力状态法的原理,同时结合连续梁一次落架与悬臂施工的力学差异,进而将无应力状态法引入大跨径PC梁式桥的设计施工中,通过无应力状态法控制成桥挠度,试图为解决大跨径梁式桥的挠度问题找到新的途径.

1　无应力状态法的基本概念

无应力状态法的一个最基本的观点,就是当结构构件单元的无应力长度和无应力曲率一定时,结构的最终内力状态和位移状态与结构的施工过程无关.

下面通过一个固端梁的简单实例来说明无应力状态法的基本概念.

等截面固端梁跨度为2L,主梁刚度为EI,结构自重荷载集度为q.

模型1:结构在满堂支架上浇筑完成,如图1(a)所示,一次落架拆除支架后,荷载在结构的弯矩MA＝MB＝(－1/3)·qL2,MC＝(1/6)·q L2,如图1(b)所示.

图1　模型1

模型2:结构在支架上先形成AC1、BC2两个悬臂梁(图2a),拆除支架施加荷载q(图2(b)),然后在C1、C2之间合龙(为简化计算,假定C1、C2两点之间的长度无限趋近于0),如图2(c)所示,则由此形成的梁段固端梁的弯矩MA＝MB＝(－1/2)·qL2, MC1＝MC2＝0.

图2　模型2

模型1、模型2两个结构分别形成过程不同的两个固端梁,在相同的荷载q作用下,内力状态截然不同.深入研究可以发现,模型1结构跨中截面C的两端截面的转角为0,而模型2结构跨中截面转角θC1＝q L3/6EI,θC2＝－q L3/6EI.

模型3:在模型2的C1、C2合龙前,通过以下措施使得跨中合龙点转角连续.

(1)施加力矩,如图3所示.结构在支架上先形成AC1、BC2两个悬臂梁,拆除支架施加荷载q.跨中合龙前C1、C2两端施加大小相等、方向相反的一对力矩MC1＝MC2＝(1/6)·qL2,然后跨中合龙.两个力矩卸载,由于MC1、MC2作用于同一点且大小相等方向相反,所以卸载MC1、MC2对结构内力无影响,得到的弯矩图与一次落架固端梁相同,其中两者的挠度和挠度曲线也是一样的.

图3　模型3措施一

(2)跨中合龙前C1、C2两端分别施加P＝qL/3的两个向上的集中力,跨中合龙后,两个集中力卸载,可消除转角差.合龙后再在C点施加反向力(－2P),同样可以得到与模型1相同的弯矩图.同样,两者的挠度和挠度曲线也是一样的.

(3)合龙前,为实现C1、C2两点转角相等且弹性曲线连续,A点转动θA＝－q L3/6EI,B点转动θB＝q L3/6EI.合龙后再将A、B两点转动恢复原来的位置,即可以得到与模型1相同的弯矩图.同样,两者的挠度和挠度曲线也是一样的.

由上述两端固结梁可以看出,梁式结构从静定结构向超静定结构转换时(如合龙),若能通过一定的措施保证合龙段两端点的转角相等(合龙处的弹性曲线连续),则形成的最终结构内力和位移状态与结构的形成状态无关.

2　基于挠度控制的无应力状态法的探索研究

2.1悬臂施工与满堂支架施工

广东省政府5次召开专题会议研究广东农垦办社会职能改革，特别是2018年7月5日，召开广东农垦改革发展联席会议，对广东农垦办社会职能改革进行全面动员部署。在基础教育方面，省有关部门和属地政府认真研究并妥善解决处理好学校移交过程中所涉及的事业编制、人员移交和经费保障等难题。截至2018年9月15日，湛江、茂名、阳江、揭阳、汕尾5市已全部完成124所农垦学校、2492名在编在职人员的统一考试和顺利移交；2295名离退休人员也随学校一并移交。清产核资及备案、土地红线图确认、经费测算划转等工作正在紧密推进中。

悬臂施工梁桥与满堂支架、一次落架连续梁的主梁恒载挠度是不同的.现以一跨径为L＋2L＋L、荷载为q、主梁刚度为EI的三跨梁为例进行对比分析.

满堂支架、一次落架连续梁的中跨挠度f1m＝0.069q L4/EI;而悬臂施工(按照一个节段)梁桥在最大悬臂状态时的中跨挠度f1x＝q L4/8EI.

f1x/f1m＝1.81,也就是说悬臂施工最大悬臂处的挠度为满堂支架跨中挠度的1.81倍.同时,由于悬臂施工中节段重量均由支点截面承担,因而悬臂施工桥梁中支点的钢束的配置均高于一次落架桥梁.

据此,本文提出基于无应力状态法的原理,调整梁式桥悬臂施工过程,使悬臂施工桥梁合龙的转角尽可能与连续梁一致,受力状态与满堂支架法梁式桥一致,进而达到减小悬臂施工桥梁跨中挠度的目的.

能达到连续梁一次落架施工状态的施工控制措施很多,其中比较可行的是施工过程中采用在主墩上架设临时钢塔架的方法,通过临时钢束张拉,抵消部分施工过程中的恒载效应,并在一定程度上对荷载进行“卸载”,使其合龙时尽可能接近一次落架的施工状态,减小大跨径PC梁式桥跨中的下挠问题.

2.2无应力状态法跨中挠度控制的实例

2.2.1无应力状态法模型

以一座中跨长度为160 m的连续刚构桥为例,该桥上部结构为变高度箱梁,由根部梁高10 m变化到跨中3.5 m,桥宽9.5 m,桥梁跨径组合为(85＋160＋85)m.边跨共划分21个节段,中跨39个节段,采用悬臂施工.原设计成桥10 000 d后主梁跨中的最大挠度为197.5 mm.

图4　无应力状态法计算模型

2.2.2挠度结果

计算结果表明,采用无应力状态法,成桥10 000 d后主梁跨中最大挠度为－89 mm,较悬臂施工减小了108.5 mm,相当于优化前的45%,图5为优化前后两种方法的挠度对比.通过施工的控制,改变了跨中的下挠状况,无应力状态法对挠度影响非常显著. k N·m－1,跨中的恒载弯矩为22 410 k N·m－1.经无应力状态法施工控制后,墩顶的恒载弯矩为－851 469 k N·m－1,跨中的恒载弯矩为113 850 k N·m－1.两种施工方法的弯矩差值在于通过施工控制后墩顶的弯矩“转移”到了跨中.由此可以得出,应用了无应力状态法后,在一定程度上改变了桥梁结构体系,即由悬臂状态施工的刚构桥内力特征向满堂支架刚构桥内力特征转变,因而其位移、内力结果都发生了相应的变化.

因此,通过无应力状态法进行施工控制的连续刚构桥,能减小墩顶的弯矩,从而减小了大悬臂产生的下挠趋势,其弯矩减小部分相应地转移到跨中部分,通过加强梁底配束或者跨中施加体外预应力来抵抗.

图5　挠度对比

2.2.3内力结果

原悬臂施工模型墩顶的恒载弯矩为－978 573

3　结　语

本文利用无应力状态法原理,结合悬臂施工与一次落架施工在内力和挠度上的差异,在大跨径连续刚构桥上进行施工控制,使得大跨径连续刚构桥成桥后的跨中挠度明显降低.为大跨径PC梁式桥的挠度控制提供了一种有效的控制方法.

[1]谢峻.大跨度预应力混凝土箱梁桥的裂缝调查、结构分析与健康监测[R].北京:清华大学,2006.

[2]杨志平,朱桂新,李卫.预应力混凝土连续刚构桥挠度长期观测[J].公路,2004(8):285-289.

[3]楼庄鸿.对预应力混凝土连续刚构几个问题的认识[C].中国公路学会桥梁和结构工程分会,2004年全国桥梁学术会议.北京:人民交通出版社,2004:303-310.

[4]秦顺全.分阶段施工桥梁的无应力状态法控制法[J].桥梁建设,2008(1):8-14.

[责任编辑:杜敏浩]

A New Method of Longterm Deflection Control of Long-span Prestressed Concrete Beam Bridge

XUE Xingwei,XION Ying,ZHON Yiming
(School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,Liaoning,China)

In order to solve the problems of various cracks and big deflection that happen to concrete beam bridge,the principle of unstressed state method was studied.Combined with the mechanical difference between the construction of formwork and cantilever of the continuous beam,a rigid frame bridge with a span of 160 m was taken to carry out the deflection control with unstressed state method.The result shows that this method can effectively reduce the deflection of mid span and bending moment of the pier top,and is an effective way of longterm deflection control.

prestressed concrete beam bridge;deflection control;unstressed state method;moment

U445.7

B

1000-033X(2015)01-0080-03

2014-08-23

沈阳建筑大学自然科学版一般项目基金(2014086)