大跨度PC 連續(xù)箱梁橋備用束設置研究

武建中(廣東省公路勘察規(guī)劃設計院有限公司，廣東 廣州510507)

預應力混凝土連續(xù)箱梁橋以其跨越能力和結構剛度大、動力性能好、結構簡單、工程造價低、便于配束等特點，加上懸臂施工法的廣泛采用而得到了迅速發(fā)展。然而隨著已建橋梁數(shù)量的增加及運營時間的增長，工程病害也隨之而來。近20年來，部分大跨徑PC 連續(xù)箱梁橋在運營階段，受各種因素影響出現(xiàn)了一些病害，其中最典型的是主梁跨中下?lián)虾土后w開裂。許多成橋實例顯示梁體下?lián)吓c裂縫開展往往是伴隨產(chǎn)生的，是互相影響、互相促進的關系，腹板裂縫越多，剛度越小，跨中下?lián)暇驮絿乐兀环粗?，跨中下?lián)显酱?，開裂也越嚴重。

目前對此類病害橋梁，為保證結構和行車安全，提高結構耐久性，通常需對舊橋進行維修加固，常見措施有施加預應力、粘貼碳纖維布、粘貼鋼板、裂縫及缺陷修補、橋面系減載、限制超載車輛等措施。

但針對橋梁結構病害采取的維修加固措施，需充分考慮其對交通運營影響和社會影響，考慮工程造價、老橋結構尺寸和受力性能等因素，往往最有效、最合理的加固方案不能完全實施，施工工序不能完全遵循結構受力的原則?；谏鲜鲈?，本文以廣東省某高速公路(68+2x110+75+55)mPC 連續(xù)箱梁橋為例，在新建橋梁階段，預估后期可能產(chǎn)生的病害，預先設置一定數(shù)量的預應力備用束，根據(jù)運營階段定期監(jiān)測結果，適時施加。此法由于事先做好預留，造價低，實施后與橋梁合理受力吻合較好，實施預留方案對老橋基本無損傷，設計和施工周期短，施工方便，對道路運營影響較小。

1 工程概況

本橋為(68+2x110+75+55)mPC 連續(xù)箱梁，梁高和底板厚度均按1.8 次拋物線設計，單箱單室斷面，110m 跨梁高從跨中3.0m 變化到主墩根部的6.5m；底板寬9.0m，頂板寬16.25m；箱梁兩側懸臂為2x3.625m，懸臂板根部厚度為80cm；110m 跨箱梁底板厚度從28cm 變化到根部90cm； 腹 板 厚 度 采 用55cm、65cm、80cm三種厚度。箱梁典型斷面見圖1。

圖1 主橋110 跨支點及跨中橫斷面

2 預估運營階段可能產(chǎn)生的受力變化

由于影響PC 連續(xù)箱梁后期產(chǎn)生病害的因素很多，本文重點從預應力損失、混凝土收縮徐變兩個方面進行探討。

2.1 運營階段預應力損失引起的應力、撓度變化

假設本橋在運營階段受各種不利因素影響，結構預應力出現(xiàn)了損失，以下分別取預應力損失10%、20%、30%對結構進行了試算，分析其對結構變形和應力的影響情況，詳見表1、表2。

表1 損失10%、20%、30%后各跨下?lián)显隽恐祵Ρ缺?/p>

從表2、表3 中可看出，預應力損失對結構受力和變形影響較大，影響 最 大 位 置 為1#～2#，2#～3#，即 兩個主跨2x110m 跨中，其次為主跨的3 個橋墩；對75m 次邊跨和邊跨，預應力損失30%后，其應力情況仍較好，暫不考慮設置預應力備用束。

表2 損失10%、20%、30%后各墩頂、跨中短期組合正應力對比表

2.2 運營階段收縮徐變差異引起的結構應力、撓度變化

目前混凝土收縮徐變的計算理論和方法本身存在偏差，且影響混凝土收縮徐變的因素多，隨機性大，往往實際的混凝土收縮徐變與設計值存在較大偏差。以下假設混凝土收縮徐變比規(guī)范取值增大20%進行試算，110m 跨跨中撓度增大19.4mm，支點上緣、跨中下緣壓應力減小約0.3MPa。詳見表3。

3 備用束的設置

3.1 體內束與體外束的選型

大跨徑連續(xù)箱梁的備用束，可考慮體內束、體外束、或體內束和體外束相結合的方式，主要考慮以下兩個因素：

表3 收縮徐變增大20%后各跨下?lián)显隽恐到y(tǒng)計表

(1)大跨徑連續(xù)箱梁箱形截面尺寸通常受鋼束管道布置要求限制，且腹板、頂?shù)装邃撌艿啦贾妹芗?，部分頂?shù)装迨贾闷x腹板較遠，從受力合理及施工質量來考慮，不宜增加更多的體內束。

(2)對大跨徑連續(xù)箱梁，備用束為運營階段的預留措施，之前維持結構受力的鋼束一般均為體內束。這種情況既使日后結構發(fā)生開裂和跨中下?lián)?，對結構的極限承載能力影響不大，不會發(fā)生純體外束結構因延性不足而發(fā)生沒有預警的破壞失效。

因此，預應力備用束從布置空間、受力合理、實施方便等因素考慮，應以體外預應力束為主。

3.2 備用束的布置方案

本橋備用束采用fpk＝1860MPa 的高強度低松弛鋼絞線，計算按假設主梁預應力損失20%后進行。根據(jù)具體尺寸及受力性能，采用以下幾種備用束方案。

方案1：在110m 跨布置底板體內束，共3 對，每對均為2 束15.2-19 的鋼絞線，鋼束長度分別為44m、58.4m、65.6m，兩端張拉，張拉控制應力為0.75fpk ＝1395MPa。

方案2：在110m 跨布置底板體外束，共3 對，每對鋼束長度分別為44m、58.4m、65.6m，兩端張拉，張拉控制應力為0.7fpk ＝1302MPa。

方案3：在2x110m 3 個主墩墩頂布置墩頂體外束，每個墩頂均布置3 對6 束15.2-19 鋼絞線，鋼束長度分別為：跨中、墩頂體外束布置，為方案二與方案三的組合。

方案5：跨中、墩頂折線體外束布置，在主跨外側進行錨固張拉，其布置如圖2：

圖2 跨中、墩頂折線體外布束立面示意(方案五)

3.3 5 種備用束方案綜合比較

通過上述5 種布束方案的計算分析，其對改善結構的受力狀態(tài)均有明顯作用。以下以1#墩、1#～2# 跨 中、2# 墩、2#～3# 跨 中、3# 墩 共5 個典型位置進行綜合比較，分析其改善結構受力性能的效果及各自的優(yōu)缺點。

表4 5 種布束方案對墩頂、跨中產(chǎn)生的壓應力增量對比表

表5 5 種布束方案改善跨中下?lián)献冃卧隽繉Ρ缺?/p>

表6 5 種布束方案改善墩頂、跨中的抗彎承載力儲備對比表

綜上得到以下5 點：

1)上述5 種配束方案對結構產(chǎn)生的效應，均與自重產(chǎn)生的效應反號；

2)對大跨徑預應力混凝土構件，由于一般為全預應力構件，采用相同布束的體外、體內預應力備用束，其對改善結構的應力、變形及承載能力的效果差異不是很大，一般體外束小5%～20%左右。

3)跨中底板備用束方案，對改善跨中下緣應力較為有利，對改善墩頂上緣應力效果不明顯，一般在0.5MPa 以內。但墩頂頂板備用束在改善墩頂應力的同時，對改善跨中下緣的應力效果也較為明顯，約0.9MPa。

4)采用跨中、墩頂組合配束和跨中、墩頂折線配束受力模式較為接近?？缰?、墩頂組合配束其材料用量稍大，但分段布設，轉向塊、錨固塊易于布設，預應力損失小，對改善結構受力性能最好；跨中、墩頂折線配束由于束太長，預應力損失大，對改善結構受力性能要相差20%左右，但其可增強結構的抗剪能力。

5)上述5 種配束方案，跨中、墩頂組合體外束最好，跨中、墩頂折線體外束次之，墩頂頂板束再次之，跨中底板束效果最差。但對改善跨中下?lián)闲Ч幻黠@，其可能與鋼束的有效應力、理論計算與實際的偏差等因素相關。

4 備用束施加時機分析

預應力備用束的施加時機，對改善結構受力和變形是至關重要的。橋梁施工階段應在結構關鍵位置如跨中下緣、墩頂上緣位置，預埋相應的監(jiān)測設備組成一個微型的監(jiān)測系統(tǒng)。在運營階段，需定期監(jiān)測混凝土應力情況，當發(fā)現(xiàn)應力、位移已開始偏離設計期望，在混凝土準備出現(xiàn)拉應力之前或剛剛出現(xiàn)拉應力，此時混凝土結構并未開裂，應及時施加備用束。否則一旦開裂，截面剛度下降，內力發(fā)生重分配，加劇跨中下?lián)虾烷_裂速率，嚴重降低全橋的承載能力。如在此種狀態(tài)下再施加預應力備用束，則比開裂前施加的效果差很多，所需要的預應力束也要多很多，而跨中的過大下?lián)弦埠茈y通過預應力束的施加來完全恢復。

5 結語

綜上所述，橋梁備用束應結合各橋的跨徑組合、施工方法和實際的受力狀態(tài)，綜合考慮收縮徐變、預應力損失等可能產(chǎn)生病害的因素，根據(jù)上述結論選擇適合本橋的備用束布置型式，并應根據(jù)運營階段定期監(jiān)測結果，在混凝土開裂前施加。

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