大跨PC梁式橋長期下?lián)峡刂频男路椒?/h1>

2015-09-18 12:16:23薛興偉鐘一鳴沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院遼寧沈陽110168

筑路機(jī)械與施工機(jī)械化訂閱 2015年1期 收藏

關(guān)鍵詞：合龍懸臂撓度

薛興偉,熊　英,鐘一鳴(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧沈陽　110168)

大跨PC梁式橋長期下?lián)峡刂频男路椒?/p>

薛興偉,熊英,鐘一鳴
(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧沈陽110168)

針對混凝土梁式橋出現(xiàn)不同性質(zhì)的裂縫和撓度過大的問題,通過研究無應(yīng)力狀態(tài)法的原理,結(jié)合連續(xù)梁一次落架與懸臂施工的力學(xué)差異,以某160 m跨剛構(gòu)橋?yàn)槔?在施工過程以無應(yīng)力狀態(tài)法對施工進(jìn)行控制,結(jié)果證明,無應(yīng)力狀態(tài)法可以有效減少跨中撓度、墩頂彎矩,對長期下?lián)峡刂剖怯行У?能夠?yàn)榻鉀Q大跨梁式橋的撓度問題提供參考.

PC梁式橋;下?lián)峡刂?無應(yīng)力狀態(tài)法;力矩

0　引　言

由于各種原因,大量預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋易出現(xiàn)許多不同性質(zhì)的裂縫且存在撓度過大的問題,而且隨著橋梁跨度的增大,這些問題越來越嚴(yán)重[1].根據(jù)中國知名橋梁學(xué)者、清華大學(xué)博士后謝峻的調(diào)查研究報(bào)告[2],預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁開裂是全世界的普遍問題[3-4].國內(nèi)的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁大都存在裂縫問題,大約有34%為輕度開裂,21%為中度開裂,45%為重度開裂.橋梁開裂、撓度過大等導(dǎo)致的安全隱患一直是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中被普遍關(guān)注的問題.

無應(yīng)力狀態(tài)法是秦順全提出的一種解決橋梁分階段施工的理論控制方法,于1993年在武漢長江二橋工程上第一次成功運(yùn)用,至今已在國內(nèi)外有30多個成功案例,主要應(yīng)用于斜拉橋、懸索橋、拱橋等橋型的施工控制.

本文擬通過研究無應(yīng)力狀態(tài)法的原理,同時結(jié)合連續(xù)梁一次落架與懸臂施工的力學(xué)差異,進(jìn)而將無應(yīng)力狀態(tài)法引入大跨徑PC梁式橋的設(shè)計(jì)施工中,通過無應(yīng)力狀態(tài)法控制成橋撓度,試圖為解決大跨徑梁式橋的撓度問題找到新的途徑.

1　無應(yīng)力狀態(tài)法的基本概念

無應(yīng)力狀態(tài)法的一個最基本的觀點(diǎn),就是當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元的無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率一定時,結(jié)構(gòu)的最終內(nèi)力狀態(tài)和位移狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的施工過程無關(guān).

下面通過一個固端梁的簡單實(shí)例來說明無應(yīng)力狀態(tài)法的基本概念.

等截面固端梁跨度為2L,主梁剛度為EI,結(jié)構(gòu)自重荷載集度為q.

模型1:結(jié)構(gòu)在滿堂支架上澆筑完成,如圖1(a)所示,一次落架拆除支架后,荷載在結(jié)構(gòu)的彎矩MA＝MB＝(－1/3)·qL2,MC＝(1/6)·q L2,如圖1(b)所示.

圖1　模型1

模型2:結(jié)構(gòu)在支架上先形成AC1、BC2兩個懸臂梁(圖2a),拆除支架施加荷載q(圖2(b)),然后在C1、C2之間合龍(為簡化計(jì)算,假定C1、C2兩點(diǎn)之間的長度無限趨近于0),如圖2(c)所示,則由此形成的梁段固端梁的彎矩MA＝MB＝(－1/2)·qL2, MC1＝MC2＝0.

圖2　模型2

模型1、模型2兩個結(jié)構(gòu)分別形成過程不同的兩個固端梁,在相同的荷載q作用下,內(nèi)力狀態(tài)截然不同.深入研究可以發(fā)現(xiàn),模型1結(jié)構(gòu)跨中截面C的兩端截面的轉(zhuǎn)角為0,而模型2結(jié)構(gòu)跨中截面轉(zhuǎn)角θC1＝q L3/6EI,θC2＝－q L3/6EI.

模型3:在模型2的C1、C2合龍前,通過以下措施使得跨中合龍點(diǎn)轉(zhuǎn)角連續(xù).

(1)施加力矩,如圖3所示.結(jié)構(gòu)在支架上先形成AC1、BC2兩個懸臂梁,拆除支架施加荷載q.跨中合龍前C1、C2兩端施加大小相等、方向相反的一對力矩MC1＝MC2＝(1/6)·qL2,然后跨中合龍.兩個力矩卸載,由于MC1、MC2作用于同一點(diǎn)且大小相等方向相反,所以卸載MC1、MC2對結(jié)構(gòu)內(nèi)力無影響,得到的彎矩圖與一次落架固端梁相同,其中兩者的撓度和撓度曲線也是一樣的.

圖3　模型3措施一

(2)跨中合龍前C1、C2兩端分別施加P＝qL/3的兩個向上的集中力,跨中合龍后,兩個集中力卸載,可消除轉(zhuǎn)角差.合龍后再在C點(diǎn)施加反向力(－2P),同樣可以得到與模型1相同的彎矩圖.同樣,兩者的撓度和撓度曲線也是一樣的.

(3)合龍前,為實(shí)現(xiàn)C1、C2兩點(diǎn)轉(zhuǎn)角相等且彈性曲線連續(xù),A點(diǎn)轉(zhuǎn)動θA＝－q L3/6EI,B點(diǎn)轉(zhuǎn)動θB＝q L3/6EI.合龍后再將A、B兩點(diǎn)轉(zhuǎn)動恢復(fù)原來的位置,即可以得到與模型1相同的彎矩圖.同樣,兩者的撓度和撓度曲線也是一樣的.

由上述兩端固結(jié)梁可以看出,梁式結(jié)構(gòu)從靜定結(jié)構(gòu)向超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(如合龍),若能通過一定的措施保證合龍段兩端點(diǎn)的轉(zhuǎn)角相等(合龍?zhí)幍膹椥郧€連續(xù)),則形成的最終結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的形成狀態(tài)無關(guān).

2　基于撓度控制的無應(yīng)力狀態(tài)法的探索研究

2.1懸臂施工與滿堂支架施工

廣東省政府5次召開專題會議研究廣東農(nóng)墾辦社會職能改革，特別是2018年7月5日，召開廣東農(nóng)墾改革發(fā)展聯(lián)席會議，對廣東農(nóng)墾辦社會職能改革進(jìn)行全面動員部署。在基礎(chǔ)教育方面，省有關(guān)部門和屬地政府認(rèn)真研究并妥善解決處理好學(xué)校移交過程中所涉及的事業(yè)編制、人員移交和經(jīng)費(fèi)保障等難題。截至2018年9月15日，湛江、茂名、陽江、揭陽、汕尾5市已全部完成124所農(nóng)墾學(xué)校、2492名在編在職人員的統(tǒng)一考試和順利移交；2295名離退休人員也隨學(xué)校一并移交。清產(chǎn)核資及備案、土地紅線圖確認(rèn)、經(jīng)費(fèi)測算劃轉(zhuǎn)等工作正在緊密推進(jìn)中。

懸臂施工梁橋與滿堂支架、一次落架連續(xù)梁的主梁恒載撓度是不同的.現(xiàn)以一跨徑為L＋2L＋L、荷載為q、主梁剛度為EI的三跨梁為例進(jìn)行對比分析.

滿堂支架、一次落架連續(xù)梁的中跨撓度f1m＝0.069q L4/EI;而懸臂施工(按照一個節(jié)段)梁橋在最大懸臂狀態(tài)時的中跨撓度f1x＝q L4/8EI.

f1x/f1m＝1.81,也就是說懸臂施工最大懸臂處的撓度為滿堂支架跨中撓度的1.81倍.同時,由于懸臂施工中節(jié)段重量均由支點(diǎn)截面承擔(dān),因而懸臂施工橋梁中支點(diǎn)的鋼束的配置均高于一次落架橋梁.

據(jù)此,本文提出基于無應(yīng)力狀態(tài)法的原理,調(diào)整梁式橋懸臂施工過程,使懸臂施工橋梁合龍的轉(zhuǎn)角盡可能與連續(xù)梁一致,受力狀態(tài)與滿堂支架法梁式橋一致,進(jìn)而達(dá)到減小懸臂施工橋梁跨中撓度的目的.

能達(dá)到連續(xù)梁一次落架施工狀態(tài)的施工控制措施很多,其中比較可行的是施工過程中采用在主墩上架設(shè)臨時鋼塔架的方法,通過臨時鋼束張拉,抵消部分施工過程中的恒載效應(yīng),并在一定程度上對荷載進(jìn)行“卸載”,使其合龍時盡可能接近一次落架的施工狀態(tài),減小大跨徑PC梁式橋跨中的下?lián)蠁栴}.

2.2無應(yīng)力狀態(tài)法跨中撓度控制的實(shí)例

2.2.1無應(yīng)力狀態(tài)法模型

以一座中跨長度為160 m的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?該橋上部結(jié)構(gòu)為變高度箱梁,由根部梁高10 m變化到跨中3.5 m,橋?qū)?.5 m,橋梁跨徑組合為(85＋160＋85)m.邊跨共劃分21個節(jié)段,中跨39個節(jié)段,采用懸臂施工.原設(shè)計(jì)成橋10 000 d后主梁跨中的最大撓度為197.5 mm.

圖4　無應(yīng)力狀態(tài)法計(jì)算模型

2.2.2撓度結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明,采用無應(yīng)力狀態(tài)法,成橋10 000 d后主梁跨中最大撓度為－89 mm,較懸臂施工減小了108.5 mm,相當(dāng)于優(yōu)化前的45%,圖5為優(yōu)化前后兩種方法的撓度對比.通過施工的控制,改變了跨中的下?lián)蠣顩r,無應(yīng)力狀態(tài)法對撓度影響非常顯著. k N·m－1,跨中的恒載彎矩為22 410 k N·m－1.經(jīng)無應(yīng)力狀態(tài)法施工控制后,墩頂?shù)暮爿d彎矩為－851 469 k N·m－1,跨中的恒載彎矩為113 850 k N·m－1.兩種施工方法的彎矩差值在于通過施工控制后墩頂?shù)膹澗亍稗D(zhuǎn)移”到了跨中.由此可以得出,應(yīng)用了無應(yīng)力狀態(tài)法后,在一定程度上改變了橋梁結(jié)構(gòu)體系,即由懸臂狀態(tài)施工的剛構(gòu)橋內(nèi)力特征向滿堂支架剛構(gòu)橋內(nèi)力特征轉(zhuǎn)變,因而其位移、內(nèi)力結(jié)果都發(fā)生了相應(yīng)的變化.

因此,通過無應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行施工控制的連續(xù)剛構(gòu)橋,能減小墩頂?shù)膹澗?從而減小了大懸臂產(chǎn)生的下?lián)馅厔?其彎矩減小部分相應(yīng)地轉(zhuǎn)移到跨中部分,通過加強(qiáng)梁底配束或者跨中施加體外預(yù)應(yīng)力來抵抗.

圖5　撓度對比

2.2.3內(nèi)力結(jié)果

原懸臂施工模型墩頂?shù)暮爿d彎矩為－978 573

3　結(jié)　語

本文利用無應(yīng)力狀態(tài)法原理,結(jié)合懸臂施工與一次落架施工在內(nèi)力和撓度上的差異,在大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋上進(jìn)行施工控制,使得大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋成橋后的跨中撓度明顯降低.為大跨徑PC梁式橋的撓度控制提供了一種有效的控制方法.

[1]謝峻.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的裂縫調(diào)查、結(jié)構(gòu)分析與健康監(jiān)測[R].北京:清華大學(xué),2006.

[2]楊志平,朱桂新,李衛(wèi).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋撓度長期觀測[J].公路,2004(8):285-289.

[3]樓莊鴻.對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)幾個問題的認(rèn)識[C].中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會,2004年全國橋梁學(xué)術(shù)會議.北京:人民交通出版社,2004:303-310.

[4]秦順全.分階段施工橋梁的無應(yīng)力狀態(tài)法控制法[J].橋梁建設(shè),2008(1):8-14.

[責(zé)任編輯: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

沈陽建筑大學(xué)自然科學(xué)版一般項(xiàng)目基金(2014086)

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