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)

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)橋是我國最為常用的橋型之一，已取得顯著的成就。通過收集大量在役的實橋資料，發(fā)現(xiàn)我國大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的計算分析手段還有待提高，需要進一步研究；通過對在役的連續(xù)剛構(gòu)橋的病害情況進行分析，發(fā)現(xiàn)箱梁的腹板開裂、跨中過度下?lián)系默F(xiàn)象較為普遍，對結(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)計計算方法需要進一步研究的內(nèi)容，并結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)的研究進展，對連續(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、運營維護等多方面的優(yōu)越性，該橋型已經(jīng)在國內(nèi)的高速公路、市政工程等項目得到廣泛的應(yīng)用。從既有的橋梁的運營情況看，未發(fā)現(xiàn)明顯的工程缺陷，但也已發(fā)現(xiàn)一些具體的問題，比如腹板開裂問題、長期下?lián)蠁栴}等，這些問題尚未得到圓滿解決。國內(nèi)的橋梁建設(shè)者、研究者已經(jīng)針對這種橋型的受力特點，開展系統(tǒng)深入的研究，也已取得一些成果。本文首先對PC連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用與發(fā)展進行介紹，對工程實踐中存在的問題進行分析，同時對既有的研究進行綜述，并對今后的研究進行展望。

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。

隨著社會的發(fā)展與進步，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50年代，出現(xiàn)了懸臂對稱澆筑的施工工藝。這種工藝若用于PC連續(xù)梁橋，則需要在施工過程中，采取臨時措施對墩、梁進行固結(jié)，待成橋后將臨時固結(jié)拆除，因此存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的問題。此后，出現(xiàn)了T型剛構(gòu)。這種橋型沒有體系轉(zhuǎn)換的問題，但各T型剛構(gòu)之間采用簡支梁掛孔進行成橋，其伸縮縫過多，在行車方面存在明顯的缺陷，且伸縮縫容易損壞，養(yǎng)護費用較高。

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)，其計算工作量明顯大于傳統(tǒng)的靜定結(jié)構(gòu)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，近年來已出現(xiàn)大量的自編程序或商業(yè)化軟件，開展大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)分析計算已不再是難題。因此，大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋與材料科學(xué)、計算機科學(xué)、施工技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，近年來已得到較快的發(fā)展，表1列出了國內(nèi)外具有代表性的大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋。

表1 國內(nèi)外大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋[1]序號橋名國家年代跨徑/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虎門副航道橋中國1997150+270+1506重慶黃花園大橋中國1995137+3×250+1377黃石長江大橋中國19951625+3×245+16258江津長江大橋中國1997140+240+1409平潭海峽大橋中國2010100+2×180+100

2 PC連續(xù)剛構(gòu)橋在工程實踐中存在的問題

2.1 超高墩的極限承載力計算

我國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)時被譽為“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號橋墩高達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)達到195 m。在西部山區(qū)或地處丘嶺的偏遠地帶，在已建成或正在設(shè)計規(guī)劃中的高等級公路中，墩高超過40 m的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上。表2列出了國內(nèi)一些連續(xù)剛構(gòu)橋的墩高統(tǒng)計表，可見我國墩高超過百米的連續(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橋125110

我國鋼筋混凝土高墩的極限承載力的計算方法有非線性有限元方法和基于JTG D62-2004規(guī)范的實用計算方法[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算公式進行高墩的承載力設(shè)計計算。JTG D62-2004規(guī)范中高墩的計算長度源自理想軸壓構(gòu)件的彈性穩(wěn)定理論，將彈性理想軸壓構(gòu)件的歐拉計算長度作為鋼筋混凝土橋墩的計算長度。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，與橋墩的實際受力狀態(tài)有很大的差異[6,7]，需要進一步重點研究。

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，對患者的身心健康都會產(chǎn)生嚴重的打擊，因此，在對患者進行治療的過程中，需要給予其有效的護理措施，以改善患者的病情，并促進患者生活質(zhì)量的提升[7-8]。根據(jù)研究表明，臨床優(yōu)質(zhì)護理的實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，由于沖擊力、制動力、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)計中連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計計算常沿用以往的平面桿系計算模型進行結(jié)構(gòu)分析，并通過偏載增大系數(shù)考慮其空間效應(yīng)。這種計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，從已建成的大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋的橋檢報告看，這類橋主要存在3個突出的問題，其一是發(fā)現(xiàn)這類橋的長期撓度過大；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)力管道對箱梁腹板面積的削弱，以及豎向預(yù)應(yīng)力的施工所帶來的施工方面的難度，也是今后的設(shè)計需要進一步研究并加以改進的問題。

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，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峻的考驗。

以汶川廟子坪大橋為例，該橋主橋為3跨連續(xù)剛構(gòu)橋，該橋橋墩高度在百米以上，在汶川地震遭受嚴重的損壞。該橋的地震動以沿縱橋向為主，由于高墩對位移反應(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)生了開裂[14]，修復(fù)非常困難，付出了很大的代價。

3 展望

3.1 連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論

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，針對其失效機理、極限承載力計算、非線性變形計算等方面的研究均存在不足，這與我國作為橋梁大國的地位是不相稱的，這種理論研究嚴重滯后于工程建設(shè)的局面必須改變。目前我國連續(xù)剛構(gòu)橋的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計計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)者開展研究[15]，今后還需進一步在長期預(yù)應(yīng)力損失的計算與預(yù)測、預(yù)應(yīng)力束的合理布置、預(yù)應(yīng)力度等方面開展研究，以便從根本上解決連續(xù)剛構(gòu)橋長期下?lián)系葐栴}。

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際工程中應(yīng)用較多，懸臂拼裝法的應(yīng)用相對較少。

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，其缺點是施工周期較長；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，因此其總體造價相對較高。制約連續(xù)剛構(gòu)橋的懸臂拼裝法施工的主要問題是其預(yù)制節(jié)段的自重大，運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一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。

在役的連續(xù)剛構(gòu)橋較多出現(xiàn)腹板開裂的情況。由于混凝土的抗拉強度很低，需要通過施加預(yù)應(yīng)力起到抵抗腹板主拉應(yīng)力的效果。若腹板采用抗拉強度較高的新材料，則有望解決箱梁橋腹板開裂的問題。近年來，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的抗拉強度，無需設(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，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，由于在長期的自重作用下的徐變以及鋼束的長期松弛，使得連續(xù)剛構(gòu)橋普遍出現(xiàn)跨中下?lián)线^大的現(xiàn)象。若其上部結(jié)構(gòu)采用新材料、新結(jié)構(gòu)進行建造，且通過合理的體外預(yù)應(yīng)力布置，也可能在一定程度上解決這個棘手的難題。因此，如何利用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝進行高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的建設(shè)，是今后需要重點研究的課題。

4 結(jié)論

連續(xù)剛構(gòu)橋具有施工方便、建造及養(yǎng)護的費用較低，且橋型較為美觀等優(yōu)點，已得到廣泛的應(yīng)用，是我國最為常用的橋型之一。然而，研究表明，我國連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論還不成熟，需要進一步開展研究。對橋梁上部結(jié)構(gòu)的計算分析、橋墩的計算長度和鋼筋混凝土柱的承載力計算等研究成果進行綜述，對仍存在的問題進行剖析，并對今后需要開展的研究進行展望，為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ)。

對現(xiàn)有的連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)常見病害(如腹板開裂、跨中下?lián)?的原因進行剖析，并對常規(guī)的設(shè)計方法所存在的不足進行討論。在收集國內(nèi)外相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的研究進展，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)的病害問題，從而推進連續(xù)剛構(gòu)橋的創(chuàng)新與發(fā)展。

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