Ｔ構橋梁的發展及施工對連續剛構橋梁設計的影響

魏志新　劉小燕

摘要 簡述了T構橋梁的發展和國內外工程情況。重點闡述了如何從簡化施工的角度考察連續剛構橋梁的設計并加以改進。

關鍵詞 T構;T型剛構;連續剛構;施工

中圖分類號 U4文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2009)05-0074-03

0 引言

T構是一種墩梁固結,具有懸臂受力特點的梁式橋,因墩上兩側伸出懸臂,形同T字,由此得名。T構可分為三種類型,一種是單個T構形成的懸臂梁;另一種是主梁不連續的T構組合體系,如帶鉸的T型剛構,帶掛孔的T型剛構,統稱為T型剛構;還有一種是主梁連續的T構組合體系,即連續T型剛構或連續剛構,當連續剛構同連續梁相連又可形成剛構——連續梁組合橋梁。T構一般采用變高度梁,支點截面的彎矩值最大,梁高也最大,此時增加的自重對于體系的彎矩的影響是最小的。對于連續剛構,加大根部梁高,通常可使正彎矩減小,正彎矩區縮短,結構主要承受負彎矩,這樣可使大多數預應力剛束布置在梁的頂部,而且構造和施工均較簡單,所以一般T構都采用預應力混凝土結構,適合懸臂施工法施工,而且由于施工階段的受力與結構使用狀態下的受力一致,一般是比較經濟的方案。

20世紀50年代中期,在西歐出現了預應力混凝土橋的懸臂施工方法,解決了支架法面臨的問題,使預應力混凝土梁式橋中的懸臂體系得到了新的發展,形成了T型剛構橋。而后行車平順的要求又促進了連續梁的發展。近年來,更適合懸臂施工的連續剛構橋得到了較快的發展,連續剛構橋行車面連續無折角、不設支座,施工不需轉換體系,且有很大的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度,能滿足較大跨徑橋梁的受力要求。

1 T構的發展

1.1 特點

T構因為墩梁固結,優點很多,既可以方便平衡懸臂施工,又可以省掉大型的支座。墩的作用使主梁彎矩減小,對比其他設計方案T構橋具有材料用量省,施工簡便經濟的特點,具有很高的競爭力。T構受力特性類似懸臂梁,應力交變的范圍小,適合采用預應力結構和懸臂施工法施工,即在墩頂兩側對稱,逐段懸臂澆筑混凝土或者拼裝預制節段,然后重復操作,繼續下一節段懸臂施工。該方法每墩有兩個工作面平行作業且多個墩可同時施工,利于縮短工期。由于節段施工是重復作業,有利于施工技術的熟練掌握,提高工效。其成橋受力同施工階段受力比較接近,懸臂施工時不用臨時支撐,因此,不會因為施工而過多地增加材料。

對于采用柔性墩的T構橋,橋墩的防撞能力需要在設計之初進行考慮。隨著跨度的增大,橋梁的動力性能也需要詳細研究,T構橋的支點處自重產生的內力占總內力的比例很大,結構在超載或者偶然荷載下的抵抗能力需要詳細考察。對于大跨度窄橋,抗風問題也凸現出來。

1.2 發展

隨著預應力混凝土工藝的完善,德國工程師率先采用掛籃懸臂澆筑混凝土修建連續梁橋,為無支架施工方法奠定了基礎。隨著懸臂施工法在預應力混凝土橋梁的應用,跨中帶剪力鉸和跨中設掛梁的T型剛構得到了發展,而T型剛構橋的墩梁固結后,為抵抗其懸臂施工中的較大不平衡彎矩,以及抵抗運營時活載或其它附加力所產生的彎矩,其橋墩的抗彎剛度和抗推剛度都相當大。對于帶鉸的T型剛構,當預應力、混凝土收縮徐變和溫度變化引起結構變位時,在墩梁固結處產生的推力和彎矩將很大。此外,鉸處的折角造成車輛跳動,剪力鉸也易損壞。帶掛梁的T型剛構雖然緩和了行車,但是伸縮縫的增多、牛腿構造的復雜和易損害,以及施工上設備的增多(吊裝掛梁的設備)無法避免。近年來,高速公路的迅速發展要求行車平順舒適,上述的T型剛構已不能很好地滿足要求。因此,T型剛構體系在20世紀80年代初以后已很少采用。

隨著跨徑的不斷增大,大型支座的設計、制造、養護等問題制約了連續梁體系的發展。在60年代,前聯邦德國首先采用懸臂澆注施工法在萊茵河上建成了主跨分別為114.2m和208.0m的沃爾姆斯橋、本道夫橋。它采用薄壁橋墩來代替T形剛剛構的粗大橋墩,中孔采用剪力鉸,邊孔做成連續體系,這種橋型是連續剛構的雛形,因為它的受力特性已接近連續梁。工程師改善了鉸處的結構缺陷,并且利用其無支座的優點,對其結構體系不斷優化:將粗壯橋墩變柔變薄,使主梁受力性能與連續梁相近,逐步形成了柔性墩、墩梁固結的剛構體系,既保持了連續梁無伸縮縫、行車平順的優點,又保持了T型剛構不設支座、不需體系轉換,方便施工的優點。墩身將較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度結為一體,可以減少墩頂負彎矩峰值,適應橋梁的水平變位,從而有效地改善了結構的受力狀況,更適合建造大跨度的橋梁。這種綜合了連續梁和T形剛構橋的特點的連續剛構是大跨度梁式橋的主要橋型之一。

國外修建大跨連續剛構橋的歷史相對稍早一些。1982年,美國的休斯敦運河橋跨徑為(114+228.6+114) m,主梁為雙室箱型斷面,設計采用了剛性橋墩,在大跨度連續剛構橋設計中比較少見。1985年,澳大利亞建成的門道橋(Gateway),跨徑為(145+260+145) m,采用了雙薄壁柔性墩,單室箱型主梁和高強混凝土,連續剛構邊跨懸臂與引橋懸出部分之間16m以不約束水平變位的剛箱裝置連接,該裝置不能傳遞軸向力,而能承受剪力與彎矩。該橋保持世界第一達12年之久,是一座里程碑式的建筑。

中國在T構橋的建設中,短時間內取得了巨大的成就。修建了大量大跨度,高技術含量的T構橋。統計顯示,目前中國的連續剛構和連續剛構—連續梁的組合體系在200m以上的有近20座,而且跨徑居于我國T構橋前列,在結構類型、設計施工等方面均有創新。對于各種不同墩高的連續剛構,國內都有成功的實例。2003年3月合攏的云南省元江大橋,跨徑為(58+182+265+194+70)m,中墩高123.5m;2006年通車的陜西洛河特大橋在陜西省洛川縣建成,位于黃陵至延安高速公路上,該橋跨度為(90+3*160+90)m,主墩高達143.5m,橋面高152m,為混凝土連續剛構世界第一高橋,這些建橋經驗可為高墩連續剛構橋的設計和懸臂施工提供參考。

隨著高強預應力剛材、高強混凝土、剛—混凝土、大噸位張拉錨固體系的應用與發展,對在役橋梁使用功能進行的評價和深入研究,使其設計和施工水平有了改進和提高,故大跨度連續剛構橋的跨越能力將得到提高、應用范圍將會更廣。

2 施工對設計的影響

2.1T構設計的影響因素

對于T構橋,在設計之初一般需要考慮下列幾個方面的影響:首先是使用功能上的要求,后期橋梁和伸縮縫的養護的工作量等直接影響到橋梁的使用功能。如帶鉸或者掛梁的T型剛構在建設初期曾被廣泛采用,但經實踐證明其在使用功能上有一定的不足,現在已較少采用。其次是結構力學特性的優化,對于大跨度橋梁,主梁采用高強混凝土,跨中采用輕質混凝土或鋼梁可以減小恒載作用下的重量,從而大大減小恒載內力,提高結構的承載能力或者增大跨度,因此會得到更多的應用。其他上部結構輕型化的措施,也能改善結構受力,如采用長懸臂、薄腹板,選取經濟的頂、底板厚度,減少隔板數量,都是減輕上部結構自重的途徑。配合三向預應力,采用大噸位預應力體系以滿足應力要求。第三,施工的便利性也在很大程度上影響設計,好的設計如果能保證施工的便利,則可能提高施工質量,從而使結構更容易達到設計要求。最后,結構的經濟性能對設計方案的選取也是至關重要的。

2.2 施工的影響

施工方法的難易程度會影響橋梁形式的發展,如果結構的施工方法合理,則可以加快進度、改善施工質量、節約投資,從而促進設計的推廣應用。如建國初期全國廣泛推廣的雙曲拱橋,設計時考慮方便安裝施工,將各個構件化整為零,將拱肋和拱波預制,安裝后再澆筑拱板,減輕了吊裝重量,為混凝土拱橋提供了簡便易行的施工方法,在當時非常適宜普及。而預應力混凝土斜拉橋得到廣泛應用也是同斜拉橋采用成熟的懸臂施工法,或稱節段施工法相關。懸索橋在主纜架設后可方便采用吊裝架設法安裝主梁,因此也應用廣泛。而裝配法施工則促進了高速公路上簡支板橋,T梁橋的大量應用。對于T構橋中普遍采用的連續剛構橋的設計,考慮施工方便,有利于選取好的設計參數和改進設計。

1) 連續剛構施工方便,但連續剛構的墩梁固結,引起成橋狀態的內力受橋墩約束而增大,有必要在保證安全懸臂施工的前提下減小固結效應,達到兩者兼顧的效果。如設置抗推剛度小、抗彎剛度大,穩定性能好的柔性墩取代剛性墩,墩高時需要設置成柔性樁基,或者設置成剛構連續梁組合橋梁,或者采用加卸壓重等措施調整墩的內力。設計柔性墩時,須結合施工特點進行單柱式墩和雙薄壁墩的比選,雙薄壁墩需要較大的承臺,但施工時穩定性容易保證,必要時在薄壁墩間設置連接就可以提高穩定性。單柱式墩施工簡單,并且可以減小基礎尺寸,因此,在跨徑不大、墩身不高的情況下應用較多,只是墩高時為維持穩定,施工荷載需要嚴格控制,而且臨時支托也不宜拆除。雙幅橋并列布置時,確定承臺是否連為一體不僅需要考慮防撞,也需要考慮施工,因為如果兩幅橋懸臂施工的進度不一致,會引起承臺承臺受力不均,可能導致承臺開裂,而嚴格限定施工過程中兩幅橋進度一致,不僅增加了施工難度,也可能增加施工工期,施工質量也難以保證。

2)考慮到施工簡便,連續剛構截面一般為簡單的直腹板單箱單室截面,橋面寬時則設置成兩幅。縱向預應力的配索方式,以前采用較多的下彎和通長預應力剛筋不便于施工,而只采用頂板索、底板索,僅在邊跨的端部設置彎起索(由于受力的特殊要求)的配索方案能簡化施工,保證受力。這種配索方案已成功應用到不同跨徑的連續剛構橋的設計中,此種配索方案顯著的優點是,腹板長度的90%內均無縱向預應力管道,從而給腹板混凝土的澆注帶來了極大的方便,并且張拉工作也得到簡化,從而保證了施工質量。

3)邊跨合攏一般可以在支架上進行,在高墩的場合下取消落地支架有一定的經濟效益,可方便施工。研究表明,當邊、主跨跨徑比在0.54～0.56時(通常這個參數大部分在0.55～0.58之間),邊跨支點在任何荷載工況下,總保留有足夠的壓力,而不出現拉力,因此有可能利用導梁合攏邊跨。

4) 對于0#塊的長度,需要考慮拼裝施工掛籃的長度,以及大體積混凝土的澆注難度,選取合適的長度,而其他梁段的劃分需要綜合考慮施工設備的承載能力以及施工工期等。為了保證施工的便利,在預應力筋布置上,除需要簡化預應力剛束的彎曲形狀外,還須預留備用孔道,以保證結構施工。在大跨度的橋梁設計中,應考慮到后期的施工是否方便而進行結構的設計。

5)對施工方法進行了大的改進后形成的連續剛構橋的結構形式也發生了大的變化。如裝配式T梁連續剛構,施工方法為:首先架設預制的T梁梁片,在墩處將梁和墩固結形成剛構形式,然后縱向澆接縫。實際上是簡支T梁轉連續做法的一種改進,可能得到比橋面連續更好的使用性能。這種裝配式連續剛構,一般適用于中小跨徑橋。T梁梁片預制標準化、施工便利快捷,工程造價低等,因此 T 梁連續剛構橋在具有高墩的小跨徑高速公路橋梁中得到了較多的應用。

3 結論

預應力混凝土懸臂施工的技術推動了T構橋的發展,T構橋中的連續剛構橋具有整體性能好、結構剛度大、抗震性能好,主梁變形撓曲線平緩、橋面伸縮縫少,行車舒適等優點,同時設計施工技術成熟,施工質量和施工工期能得到有效控制,且成橋后養護工作量小,因此在公路、鐵路、市政橋梁中得到廣泛采用。而針對施工方法的便利性所作的設計改進也將推動該種橋型的進一步發展。

參考文獻

[1]范立礎主編. 橋梁工程(上冊)[M].北京:人民交通出版社.

[2]同濟大學路橋系編.城市橋梁設計施工經驗選編[M]. 北京:中國建筑工業出版社.

[3]王伯惠.斜拉橋結構發展和中國經驗(上冊)[M].北京: 人民交通出版社.

[4]李三珍.大跨度預應力混凝土連續剛構橋設計、施工新技術及施工控制研究[D].昆明理工大學,2002,11.

[5]陳冠華.T梁連續剛構橋受力性能研究[D].福州大學, 2004,12.

[6]周軍生,樓莊鴻.大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的現狀和發展趨勢[N].中國公路學報,2000,13(1): 31-37.

[7]楊高中,楊征宇,周軍生,李強,宋貴峰.連續剛構橋在我國的應用和發展[J].公路.1998,(6):1-7;1998,(7):1-6.

[8]樓莊鴻.樓莊鴻橋梁論文集[D].北京:人民交通出版社,2004.

[9]柳學發.大跨度連續剛構橋的應用和發展[J].鐵道標準設計,1999,(1):8-11.

[10]林穎,凌懷強,陳煒.連續剛構橋梁主墩設計淺析[J] .公路,2004,2(2).

[11]陳萬春,馬建秦.預應力連續剛構橋的常見病害形式及維修加固施工監控問題的探討[J].公路工程與運輸.150/151期.112-117.交通標準化,2006年,第2/3期.

[12]欒昌信.懸臂灌注預應力混凝土連續梁(剛構)施工及設計[J].鐵道標準設計,2006(4):32-34.

[13]雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計[M].北京:人民交通出版社,2000.

[14]劉光東,張晟斌.淺析裝配式連續剛構橋的設計與施工[J].公路交通技術增刊.

[15]李斌,李勇超,羅森勇,朱光華,盧勇.重慶石板坡長江大橋復線橋施工技術[J].第十七屆全國橋梁學術會議論文集(上冊),2006.

[16]向中富,黃海東,孫峻嶺,祁仁俊,楊忠,劉志輝.重慶石板坡大橋復線橋設計施工特點與控制中幾個問題的考慮[D].中國公路學會橋梁和結構工程分會2005年全國橋梁學術會議論文集,2005.

[17]胡南,劉開生.挪威斯托爾馬PC連續剛構橋[J]國外橋梁,2000,(02):29-31,39.