先简支后结构连续梁桥设计研究

1 简支结构连续梁桥的基本形式

1.1 连续端构造方式

(1) 钢筋混凝土连续构造。

将相邻跨钢筋混凝土或预应力板 (梁) 端伸出的钢筋连接, 浇注接头混凝土实现连接。由于钢筋混凝土连接构造在墩顶负弯矩作用下开裂难以避免, 所以, 仅用于小跨径桥梁。

(2) 预应力混凝土连续构造。

除将相邻跨预应力板 (梁) 端伸出的钢筋连接外, 在浇注接头混凝土实现连接后, 再通过预留孔道施加二次预应力, 用于跨径20m～50m梁桥。

1.2 基本结构

先简支后连续T形梁的常用跨径为25m～50m。目前标准图设计为30m、40m、50m等, 其梁高分别为1.8m、2.0m、2.2m、2.6m。其主梁高度与活载标准、横截面形式、主梁片数及建筑高度要求有关, 可在较大范围内变化, 通常高跨比的可取范围在1/15～1/25左右。

2 墩顶湿接头构造设计

(1) 单横梁单、双支座简支结构连续梁桥。构造上, 墩顶横梁与简支梁同高, 以端横隔板为侧模。设置由顺盖梁方向的横梁主要纵向受力钢筋、简支梁纵向受力钢筋和足够的箍筋形成的普通钢筋体系, 设置由上缘纵向抵抗负弯矩预应力钢筋以及可能因支座沉降需要的下缘纵向预应力钢筋形成的预应力体系。

(2) 双横梁双支座简支结构连续梁桥。构造上, 端横梁高度与简支梁同高, 设置由顺盖梁方向的横梁主要纵向受力钢筋、简支梁梁肋、翼板纵向受力钢筋和足够的箍筋形成的普通钢筋体系, 设置由上缘纵向抵抗负弯矩预应力钢筋以及可能因支座沉降需要的下缘纵向预应力钢筋形成的预应力体系。

(3) 简支刚构连续梁桥。构造上, 墩顶横梁与简支梁同高, 以端横隔板为侧模。设置由顺盖梁方向的横梁主要纵向受力钢筋、简支梁纵向受力钢筋、预埋于盖梁的竖向钢筋和足够的箍筋形成的普通钢筋体系, 设置由上缘纵向抵抗负弯矩预应力钢筋、预埋于盖梁的竖向预应力钢筋以及可能因基础沉降需要的下缘纵向预应力钢筋形成的预应力体系。

3 二次预应力体系设计

(1) 预应力根据负弯矩分布情况分散锚固, 锚固点之间距离不小于2m。

(2) 锚固点设在裸梁面上时, 施工方便, 但锚固齿板尺寸较小, 需要精细施工, 否则, 容易引起锚固齿板高度等几何尺寸超限, 影响后续施工质量, 容易出现锚固齿板整体性差, 危及预应力锚固效果。

(3) 锚固点设在裸梁面下时, 施工较复杂, 但由于锚固齿板与梁体为一体, 在整体模板下, 锚固齿板施工质量以及预应力锚固效果容易得到保证。

(4) 从保证二次预应力体系建立精度、可靠性和耐久性考虑, 原则上应采用裸梁 (板) 面下锚固方式。考虑到上述对简支梁翼板、顶板已做厚度增厚的改进, 也可以采用在翼板、顶板开部分槽口的方式进行锚固。槽口下应设有临时排水孔。

(5) 对于靠近梁肋的预应力束宜采用塑料园波纹管成孔, 以便确保成孔和压浆质量。对于其他在考虑翼板、顶板增厚后仍因尺寸原因不能采用园波纹管成孔的, 应采用塑料扁波纹管成孔, 同时塑料扁波纹管的净空高度应在3cm左右, 以保证压浆质量。

(6) 压浆宜采用真空压浆。

4 支座体系设计

支座体系分单支座和双支座两种类型。双支座简支结构连续梁桥支座受力不均、可能出现一排支座脱空, 从而导致桥墩偏心受压等现象的确存在, 现行桥规规定梁的单个支承点上纵向仅设一个支座也是为使桥梁受力明确。单支座简支结构连续梁桥支座支承于墩顶梁端湿接头混凝土结构上, 新老混凝土接缝正处于剪力主梁最大的部位, 如果墩顶梁端湿接头混凝土施工以及墩顶二次预应力建立不可靠, 可能导致“连续”失效, 进而危机桥梁结构安全。双支座简支结构连续梁桥支座支承于预制T梁混凝土结构上, 如果墩顶梁端湿接头混凝土施工以及墩顶二次预应力建立不可靠, 可能导致“连续”失效, 一般不至于危机桥梁结构安全。

5 联数设计

我国现在先简支后结构连续梁桥的联数主要有三、五、七等常用联数, 笔者利用有限元软件建立模型, 理论上分析在恒载和温度梯度下跨数对桥梁结构的影响, 寻求最优化的跨数。经分析研究得出如下结果。

(1) 从统计数据得出, 3跨梁桥的最大正弯矩是最大的, 平均正弯矩也是最大, 正弯矩值随着跨数的增多在减小。7跨梁桥的最大负弯矩是最大的, 差值较小, 但是平均负弯矩还是3跨的较大, 最大负弯矩是随跨数的增多在增加 (幅度比较小) , 平均负弯矩是随跨数的增加在减小。

(2) 由统计数据得出, 温度梯度对于支点位置的应力影响较小, 主要是由于截面尺寸的较大。温度梯度对于跨中位置的应力影响较大, 特别是中间跨的影响特别大, 相对来说对于第一跨和最后一跨的影响较小。由此可以得出随着跨数的增多, 温度梯度对梁桥的影响就越大。

由上面分析可以得出, 在常用的联数中5跨一联是最合理的, 建议设计一般用5跨。

6 先简支后结构连续梁桥总体设计

在国内不同的设计院对于先简支后结构连续梁桥的设计各有不同, 文中通过对各种设计的比较和分析, 给出以下先简支后结构连续梁桥的设计建议。

6.1 简支连续梁每一联跨数一般不超过5跨。

当桥梁跨径达到3 0 m, 桥梁纵坡达到2.5%, 且墩高在15m以上, 或其他墩梁刚度比适合墩梁固接时, 原则上均采用简支刚构连续梁桥, 以便减少支座维护、更换等工作。对于20m以下跨径桥梁, 原则上均采用简支桥面连续梁桥;对于20m以上跨径桥梁, 墩顶连续和墩梁固接应采用预应力构造, 对于20m左右跨径桥梁, 可以采用以预应力空心板为基础的钢筋混凝土结构连续设计, 但应严格限制裂缝宽度。

6.2 支承方式设计

(1) 双支座简支结构连续梁桥支座受力不均、可能出现一排支座脱空频繁出现, 支座容易疲劳, 影响使用寿命;另外, 一排支座脱空还会导致桥墩偏心受压负担增大, 对桥墩受力不利。另一方面, 双支座简支结构连续梁桥支座支承于预制T梁混凝土结构上, 即使墩顶梁端湿接头混凝土施工以及墩顶二次预应力建立不可靠, 导致“连续”失效, 一般不至于危机桥梁结构安全 (落梁) 。同时, 双支座简支结构连续梁桥施工工序简单, 特别是避免了支座转换, 极大的方便了施工。

(2) 单支座简支结构连续梁桥受力体系及力学行为明确, 设计不可预见的不利因素少, 理应具有更高的可靠性和耐久性。但单支座简支结构连续梁桥支座支承于墩顶梁端湿接头混凝土结构上, 新老混凝土接缝正处于剪力主梁最大的部位, 如果墩顶梁端湿接头混凝土施工以及墩顶二次预应力建立不可靠, 可能导致“连续”失效, 进而危机桥梁结构安全 (落梁) 。

(3) 只要墩顶现浇横梁足够强大, 预制梁 (板) 嵌入墩顶现浇横梁在25cm以上, 墩顶现浇横梁钢筋构造合理, 并与预制梁 (板) 各种伸出钢筋形成整体, 墩顶连续施工 (钢筋混凝土、二次预应力体系) 质量得到保证, 采用单支座简支结构连续梁桥是合理的。

(4) 单支座简支结构连续梁桥具有墩顶单、双横梁之分。从连接可靠、结构耐久、适应曲线桥梁受力需要考虑, 宜采用单横梁方式。

6.3 简支连续梁桥, 必须考虑施工中体系

(或支座) 转换、各工序下混凝土龄期的不同, 并对各施工步骤中结构的安全提供设计保证。

设计考虑的施工工序、流程如下:T梁 (空心板) 预制→分批张拉T梁 (空心板) 内抵抗正弯矩的预应力钢束 (一期束) →T梁 (空心板) 安装并连接T梁横隔板→现浇墩顶湿接头或墩梁固接混凝土→体系 (或支座) 转换→张拉抵抗负弯矩的预应力钢束 (二期束) →T梁翼板间现浇带或空心板企口混凝土浇筑→二期恒载施加→成桥。

6.4 必须根据成桥目标, 按照施工过程进行

正装、到装结构分析, 给出各主要工况下梁、板体及墩顶连续构造的状态参数 (几何等) , 以便于施工过程控制。设计要求的参数包括

(1) T梁 (空心板) 预制预拱度:根据正装、到装结构分析得出。成桥时应具有适应连续梁后期下挠的预拱度。

(2) 预制T梁 (空心板) 存放时间:2个月。

(3) 墩顶湿接头浇筑及体系转换实施时间:1个月。墩顶湿接头实施温度:一天中温度最低且变化最小的时段。

(4) 二期恒载施加时间:1个月。

(5) 二次预应力张拉时间:最好在T梁翼板间现浇带或空心板企口混凝土浇筑前进行。纵向张拉顺序按照结构分析结构确定, 一般采用间隔式张拉。

(6) 二次预应力张拉时混凝土强度:主梁 (板) 100%, 墩顶湿接头、T梁横隔板等85%。

(7) 墩顶湿接头混凝土品质要求:高强度、低收缩、高韧性。其中, 3天基长下, 标养60天的收缩量控制在350以内。

6.5 简支连续梁桥设计中应充分考虑混凝土收缩徐变、温度变化以及基础不均匀沉降的影响。

其中, 简支结构连续梁桥需考虑支座更换引起的“强迫”位移对结构的影响。一般情况下, 简支结构连续梁桥对中墩考虑0.8cm～1.2cm的支座强迫位移进行结构分析, 简支刚构连续梁桥对中墩考虑1.0cm～1.5cm的基础不均匀沉降进行结构分析。

摘要：先简支后结构连续梁桥作为梁式桥的一种, 在我国桥梁建设中具有重要的地位。本文详细科学地对先简支后结构连续梁进行了设计研究, 对我国对简支结构连续梁桥的设计和施工具有一定的参考价值。

关键词：先简支后结构连续,桥,设计

参考文献

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