張利銓

(福州海峽建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 福建 福州 350028)

大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋技術(shù)成就與展望

張利銓

(福州海峽建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 福建 福州 350028)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是我國(guó)最為常用的橋型之一，已取得顯著的成就。通過(guò)收集大量在役的實(shí)橋資料，發(fā)現(xiàn)我國(guó)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析手段還有待提高，需要進(jìn)一步研究；通過(guò)對(duì)在役的連續(xù)剛構(gòu)橋的病害情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)箱梁的腹板開(kāi)裂、跨中過(guò)度下?lián)系默F(xiàn)象較為普遍，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能有一定的影響；在此基礎(chǔ)上，提出連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)計(jì)算方法需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容，并結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化提出展望。

連續(xù)剛構(gòu)橋； 超高墩； 新材料； 技術(shù)成就； 展望

0 引言

基于PC連續(xù)剛構(gòu)橋在受力性能、施工工藝、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等多方面的優(yōu)越性，該橋型已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的高速公路、市政工程等項(xiàng)目得到廣泛的應(yīng)用。從既有的橋梁的運(yùn)營(yíng)情況看，未發(fā)現(xiàn)明顯的工程缺陷，但也已發(fā)現(xiàn)一些具體的問(wèn)題，比如腹板開(kāi)裂問(wèn)題、長(zhǎng)期下?lián)蠁?wèn)題等，這些問(wèn)題尚未得到圓滿解決。國(guó)內(nèi)的橋梁建設(shè)者、研究者已經(jīng)針對(duì)這種橋型的受力特點(diǎn)，開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究，也已取得一些成果。本文首先對(duì)PC連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行介紹，對(duì)工程實(shí)踐中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)既有的研究進(jìn)行綜述，并對(duì)今后的研究進(jìn)行展望。

1 PC連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用與發(fā)展

材料的發(fā)展與工程技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。19世紀(jì)末，由于混凝土的發(fā)明，并與鋼筋的結(jié)合，從而誕生了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)20年代至50年代，由于在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、T型剛構(gòu)橋等橋型。在這個(gè)階段建造的橋梁的跨度一般不大，且墩高有限，橋梁的建造常采用滿堂式支架現(xiàn)澆施工工藝。

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，需要建造一些高墩大跨度橋梁，在這種情況下，若仍采用傳統(tǒng)的滿堂式支架現(xiàn)澆施工工藝將是困難的?；炷翗蛄航ㄔO(shè)者受傳統(tǒng)鋼橋的懸臂拼裝施工法的啟發(fā)，將其應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、T型剛構(gòu)橋的現(xiàn)澆施工中。

在上世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了懸臂對(duì)稱澆筑的施工工藝。這種工藝若用于PC連續(xù)梁橋，則需要在施工過(guò)程中，采取臨時(shí)措施對(duì)墩、梁進(jìn)行固結(jié)，待成橋后將臨時(shí)固結(jié)拆除，因此存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。此后，出現(xiàn)了T型剛構(gòu)。這種橋型沒(méi)有體系轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，但各T型剛構(gòu)之間采用簡(jiǎn)支梁掛孔進(jìn)行成橋，其伸縮縫過(guò)多，在行車方面存在明顯的缺陷，且伸縮縫容易損壞，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高。

大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋克服了PC連續(xù)梁橋、T型剛構(gòu)橋在結(jié)構(gòu)性能上的不足，且其墩梁采用固結(jié)處理，減少了支座的費(fèi)用，具有明顯的優(yōu)越性。在結(jié)構(gòu)受力分析方面，大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，其計(jì)算工作量明顯大于傳統(tǒng)的靜定結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)已出現(xiàn)大量的自編程序或商業(yè)化軟件，開(kāi)展大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算已不再是難題。因此，大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋與材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、施工技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，近年來(lái)已得到較快的發(fā)展，表1列出了國(guó)內(nèi)外具有代表性的大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋。

表1 國(guó)內(nèi)外大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋[1]序號(hào)橋名國(guó)家年代跨徑/m1Stolma橋挪威199894+301+722Raftsundet橋挪威199886+202+298+1253Gateway橋澳大利亞1979145+260+1454Mooney橋澳大利亞1989130+220+1305虎門(mén)副航道橋中國(guó)1997150+270+1506重慶黃花園大橋中國(guó)1995137+3×250+1377黃石長(zhǎng)江大橋中國(guó)19951625+3×245+16258江津長(zhǎng)江大橋中國(guó)1997140+240+1409平潭海峽大橋中國(guó)2010100+2×180+100

2 PC連續(xù)剛構(gòu)橋在工程實(shí)踐中存在的問(wèn)題

2.1 超高墩的極限承載力計(jì)算

我國(guó)鋼筋混凝土高墩的建設(shè)已經(jīng)取得舉世矚目的成就。2006年8月9日，當(dāng)時(shí)被譽(yù)為“亞洲第一高墩大橋”—黃陵至延安高速公路上的洛河特大橋在陜西省洛川縣建成，該橋主墩高達(dá)143.5 m；2012年通車的雅(安)西(昌)高速公路的臘八斤溝特大橋，其10號(hào)橋墩高達(dá)182.5 m；2013年4月，貴州省赫章特大橋合龍，其主墩最高已經(jīng)達(dá)到195 m。在西部山區(qū)或地處丘嶺的偏遠(yuǎn)地帶，在已建成或正在設(shè)計(jì)規(guī)劃中的高等級(jí)公路中，墩高超過(guò)40 m的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上。表2列出了國(guó)內(nèi)一些連續(xù)剛構(gòu)橋的墩高統(tǒng)計(jì)表，可見(jiàn)我國(guó)墩高超過(guò)百米的連續(xù)剛構(gòu)橋已經(jīng)較多。

表2 連續(xù)剛構(gòu)橋的墩高統(tǒng)計(jì)表[2-4]橋梁名稱主跨/m最高墩/m云南紅河特大橋2651215貴州猴子河特大橋220132陜西葫蘆河特大橋160138陜西洛河特大橋1601435貴州虎跳河特大橋225150貴州烏江特大橋220151湖北雙河口特大橋170166貴州二郎河特大橋2001671云南莽街渡特大橋220168貴州桐梓河特大橋200172湖北龍?zhí)逗犹卮髽?00178四川臘八斤特大橋2001825貴州赫章特大橋180195內(nèi)昆鐵路花土坡特大橋104110內(nèi)昆線清水河大橋128100廣東清連路杜布一號(hào)橋125110

我國(guó)鋼筋混凝土高墩的極限承載力的計(jì)算方法有非線性有限元方法和基于JTG D62-2004規(guī)范的實(shí)用計(jì)算方法[5]。JTG D62-2004規(guī)范采用等效梁柱法，根據(jù)高墩的邊界條件，將其等效為相應(yīng)長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)柱(兩端鉸接的偏壓柱)，然后按鋼筋混凝土偏壓柱的承載力計(jì)算公式進(jìn)行高墩的承載力設(shè)計(jì)計(jì)算。JTG D62-2004規(guī)范中高墩的計(jì)算長(zhǎng)度源自理想軸壓構(gòu)件的彈性穩(wěn)定理論，將彈性理想軸壓構(gòu)件的歐拉計(jì)算長(zhǎng)度作為鋼筋混凝土橋墩的計(jì)算長(zhǎng)度。然而，這種取值方法既未從墩頂復(fù)雜的邊界條件出發(fā)，也未考慮墩底地質(zhì)情況的復(fù)雜多變，與橋墩的實(shí)際受力狀態(tài)有很大的差異[6,7]，需要進(jìn)一步重點(diǎn)研究。

慢性乙肝患者病情十分反復(fù)，并且一旦發(fā)作，就很難治愈，對(duì)患者的身心健康都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的打擊，因此，在對(duì)患者進(jìn)行治療的過(guò)程中，需要給予其有效的護(hù)理措施，以改善患者的病情，并促進(jìn)患者生活質(zhì)量的提升[7-8]。根據(jù)研究表明，臨床優(yōu)質(zhì)護(hù)理的實(shí)施能夠改善患者的心理及生理狀態(tài)，讓患者盡心積極配合，增加其抵抗病毒的能力，促進(jìn)身體的恢復(fù)[9-10]。

2.2 連續(xù)剛構(gòu)橋彎箱梁的結(jié)構(gòu)靜力分析計(jì)算

彎箱梁在自重作用下，主梁的受力呈現(xiàn)明顯的彎扭耦合特征。當(dāng)車輛以一定的速度在彎橋上行駛時(shí)，由于沖擊力、制動(dòng)力、離心力效應(yīng)，主梁的彎扭耦合受力現(xiàn)象更為明顯。目前的工程設(shè)計(jì)中連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)計(jì)算常沿用以往的平面桿系計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并通過(guò)偏載增大系數(shù)考慮其空間效應(yīng)。這種計(jì)算方法用于直線橋已經(jīng)較為粗略，若用于彎梁橋的內(nèi)力分析，其誤差可能較大，甚至可能因考慮不周而對(duì)結(jié)構(gòu)的安全埋下隱患[8]。

2.3 預(yù)應(yīng)力索的合理布置

近年來(lái)，從已建成的大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋的橋檢報(bào)告看，這類橋主要存在3個(gè)突出的問(wèn)題，其一是發(fā)現(xiàn)這類橋的長(zhǎng)期撓度過(guò)大；其二是腹板普遍存在不同程度的斜裂縫；其三是部分橋梁的底板出現(xiàn)崩裂。而腹板斜裂縫和底板裂縫的發(fā)展與橋梁的長(zhǎng)期撓度之間又存在一定的耦合作用[9-13]。

理論上，采用豎向預(yù)應(yīng)力顯然可有效減小腹板的主拉應(yīng)力，然而，由于豎向預(yù)應(yīng)力管道對(duì)箱梁腹板面積的削弱，以及豎向預(yù)應(yīng)力的施工所帶來(lái)的施工方面的難度，也是今后的設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步研究并加以改進(jìn)的問(wèn)題。

2.4 連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震性能

連續(xù)梁橋的下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置支座，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，支座可起到很好的耗能作用，在一定程度上削弱了上部結(jié)構(gòu)的慣性力對(duì)橋墩的剪切作用。然而，連續(xù)剛構(gòu)橋的下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間采用固結(jié)，且其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多為高墩、大跨度。高墩在地震作用下，將產(chǎn)生很大的位移；而連續(xù)剛構(gòu)橋的重量主要集中在橋面系，在地震作用下，將產(chǎn)生很大的慣性力，從而使得橋墩墩底承受很大的剪力和彎矩。因此，從結(jié)構(gòu)抗震的角度，連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩需承受更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

以汶川廟子坪大橋?yàn)槔?，該橋主橋?yàn)?跨連續(xù)剛構(gòu)橋，該橋橋墩高度在百米以上，在汶川地震遭受嚴(yán)重的損壞。該橋的地震動(dòng)以沿縱橋向?yàn)橹鳎捎诟叨諏?duì)位移反應(yīng)的放大作用和上部位置較高且質(zhì)量很大，水中橋墩發(fā)生了開(kāi)裂[14]，修復(fù)非常困難，付出了很大的代價(jià)。

3 展望

3.1 連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論

連續(xù)剛構(gòu)橋鋼筋混凝土高墩是最為常用、最為重要的構(gòu)件之一，然而，研究表明，針對(duì)其失效機(jī)理、極限承載力計(jì)算、非線性變形計(jì)算等方面的研究均存在不足，這與我國(guó)作為橋梁大國(guó)的地位是不相稱的，這種理論研究嚴(yán)重滯后于工程建設(shè)的局面必須改變。目前我國(guó)連續(xù)剛構(gòu)橋的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算手段仍有一定的局限性；在預(yù)應(yīng)力的布置方式上，已有一些學(xué)者開(kāi)展研究[15]，今后還需進(jìn)一步在長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算與預(yù)測(cè)、預(yù)應(yīng)力束的合理布置、預(yù)應(yīng)力度等方面開(kāi)展研究，以便從根本上解決連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期下?lián)系葐?wèn)題。

3.2 新材料和新工藝的應(yīng)用

連續(xù)剛構(gòu)橋的施工方法有懸臂澆筑法和懸臂拼裝法兩類。其中懸臂澆筑法在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，懸臂拼裝法的應(yīng)用相對(duì)較少。

懸臂澆筑施工法較為方便，其施工工藝已經(jīng)非常成熟，可用于跨越江河或深谷的大跨徑橋梁。采用這種施工工藝，其缺點(diǎn)是施工周期較長(zhǎng)；在氣溫較低的地區(qū)，其合攏段的施工較為困難。

相比之下，懸臂拼裝法的工期較短，但由于節(jié)段的運(yùn)輸和安裝等需要較多的大型設(shè)備，在拼接縫的處理上也存在一些困難，因此其總體造價(jià)相對(duì)較高。制約連續(xù)剛構(gòu)橋的懸臂拼裝法施工的主要問(wèn)題是其預(yù)制節(jié)段的自重大，運(yùn)輸和安裝均較為困難。因此，減輕預(yù)制節(jié)段的自重已成為懸臂拼裝法施工能否進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

在役的連續(xù)剛構(gòu)橋較多出現(xiàn)腹板開(kāi)裂的情況。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，需要通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力起到抵抗腹板主拉應(yīng)力的效果。若腹板采用抗拉強(qiáng)度較高的新材料，則有望解決箱梁橋腹板開(kāi)裂的問(wèn)題。近年來(lái)，波形鋼腹板-混凝土組合梁橋、超高性能混凝土梁橋的研究已較為深入，在結(jié)構(gòu)彎剪扭受力性能、剪力滯效應(yīng)、橋面板有效分布寬度、極限承載力、撓度計(jì)算以及有限元模擬方法等方面已取得一定的成果。采用這些新材料、新結(jié)構(gòu)建造的箱梁橋腹板具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，無(wú)需設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋就能滿足結(jié)構(gòu)承載要求，可有效避免腹板出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象。

現(xiàn)有的連續(xù)剛構(gòu)橋多采用普通混凝土建造，由于上部結(jié)構(gòu)自重較大，限制了其跨越能力。若采用新材料、新結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造，可大幅減輕上部結(jié)構(gòu)的自重，增大橋梁的跨越能力，并改善其抗震性能。在連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力體系的設(shè)計(jì)上，也將可能發(fā)生從體內(nèi)索布置至體外索布置的根本性變革。同時(shí)，現(xiàn)有的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋自重很大且預(yù)應(yīng)力鋼束用量較多，由于在長(zhǎng)期的自重作用下的徐變以及鋼束的長(zhǎng)期松弛，使得連續(xù)剛構(gòu)橋普遍出現(xiàn)跨中下?lián)线^(guò)大的現(xiàn)象。若其上部結(jié)構(gòu)采用新材料、新結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造，且通過(guò)合理的體外預(yù)應(yīng)力布置，也可能在一定程度上解決這個(gè)棘手的難題。因此，如何利用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝進(jìn)行高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的建設(shè)，是今后需要重點(diǎn)研究的課題。

4 結(jié)論

連續(xù)剛構(gòu)橋具有施工方便、建造及養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用較低，且橋型較為美觀等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用，是我國(guó)最為常用的橋型之一。然而，研究表明，我國(guó)連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論還不成熟，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析、橋墩的計(jì)算長(zhǎng)度和鋼筋混凝土柱的承載力計(jì)算等研究成果進(jìn)行綜述，對(duì)仍存在的問(wèn)題進(jìn)行剖析，并對(duì)今后需要開(kāi)展的研究進(jìn)行展望，為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ)。

對(duì)現(xiàn)有的連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)常見(jiàn)病害(如腹板開(kāi)裂、跨中下?lián)?的原因進(jìn)行剖析，并對(duì)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法所存在的不足進(jìn)行討論。在收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的研究進(jìn)展，提出若采用波形鋼腹板-混凝土組合結(jié)構(gòu)或超高性能混凝土替代現(xiàn)有的普通混凝土，進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)建造，不僅可大幅減輕上部結(jié)構(gòu)自重，也可能從根本上解決現(xiàn)有的連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)的病害問(wèn)題，從而推進(jìn)連續(xù)剛構(gòu)橋的創(chuàng)新與發(fā)展。

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