刚构桥的优缺点_[中交公规院]预应力连续刚构桥总体设计及主要尺寸

1 连续刚构桥的适用范围

PC 连续刚构桥主跨跨径超过200m 后&＃xff0c;不仅主梁因梁高较大导致恒载过大、受力不好&＃xff0c;而且经济指标也不好。主跨超过200m 时&＃xff0c;PC 部分斜拉桥(也称矮塔斜拉桥)优于连续刚构桥&＃xff0c;因为其主梁根部高度约为连续刚构桥主梁根部高度的一半&＃xff0c;桥梁景观也较好。主跨在200m&＃xff5e;300m 之间&＃xff0c;应首选部分斜拉桥。即使跨径在150m&＃xff5e;200m 之间时&＃xff0c;也应对这两种桥型进行比较&＃xff0c;择优选用。以上系指按三跨对称布置的连续刚构桥或部分斜拉桥。当为两跨等跨布置时&＃xff0c;则成为单T 刚构桥或独塔部分斜拉桥。单T 刚构桥的跨径一般不宜大于130m&＃xff1b;两跨部分斜拉桥适用跨径为100m&＃xff5e;180m。

2 连续刚构与连续梁的混合体系

国内已建成的连续刚构桥的连续总长度已突破1000m。所以&＃xff0c;连续刚构桥的连续长度可以达到1000m。但是&＃xff0c;连续长度过大&＃xff0c;靠两边的几个桥墩因远离温度变形0 点&＃xff0c;将产生较大的水平位移&＃xff0c;桥墩受力很不利。国内外一些较长的大跨度梁桥&＃xff0c;采用中间区段为连续刚构&＃xff0c;两边区段为连续梁的混合体系&＃xff0c;结构受

力合理&＃xff0c;称为刚构—连续梁。缺点是连续梁部分要设置大吨位支座&＃xff0c;使用期需进行更换。

3 墩高对连续刚构桥的影响

连续刚构桥为高次超静定结构&＃xff0c;温度与砼收缩、徐变将产生次弯矩。当主墩较矮或抗推刚度较大时&＃xff0c;对纵向地震影响不利&＃xff0c;在墩顶还会出现较大的拉应力。

需要利用桥墩较小的抗推刚度(双壁墩bh3E/(2L3))来降低上述次弯矩。一般情况下&＃xff0c;墩身高度宜大于主跨跨径的1/10&＃xff0c;否则应采取措施降低次弯矩。例如&＃xff1a;

1.1 在满足抗弯和稳定的前提下&＃xff0c;减小墩身顺桥向厚度&＃xff1b;

1.2 采用群桩基础&＃xff0c;计入桩基柔度对墩身的影响&＃xff1b;

1.3 利用边跨合拢前后的刚度变化对主梁进行加卸载&＃xff0c;以改善墩身的受力&＃xff1b;

1.4 将中跨底板预应力长索分三段锚固。其中两段在中跨合拢前锚固&＃xff0c;一段在合拢后锚固&＃xff0c;以减小底板束产生的次弯矩和砼收缩、徐变内力&＃xff1b;

1.5 对于个别很矮的桥墩&＃xff0c;不用墩梁固结&＃xff0c;采用墩上设置活动支座。

4 孔跨布置

4.1 三跨连续刚构

设中跨为L&＃xff0c;边跨为L1 及L2。L1&＃xff1d; L2 时为对称布置&＃xff0c;L1≠L2 时为非对称布置。正常情况下&＃xff0c;一般可取L1&＃xff1d;/L(及L2 /L)&＃61;0.52~0.60 较为合适。边跨大或小各有利弊&＃xff0c;分述如下。

4.1.1 边跨较小的优点

⑴ 边跨现浇段长度较短&＃xff0c;对施工有利。当边墩台较高时&＃xff0c;可用导梁、托架或挂篮前推作为支架&＃xff0c;现浇段可以不用落地支架。

⑵ 边跨主梁端附近主拉应力较小&＃xff0c;对防止箱梁腹板出现斜裂缝有利。

⑶ 边跨满布活载&＃xff0c;中跨空载时&＃xff0c;对中跨受力有利。

⑷ 当中跨长度一定时&＃xff0c;边跨较小&＃xff0c;则主桥长度较短。

4.1.2 边跨较小的缺点

⑴ 边跨过小时&＃xff0c;如边支承出现负反力&＃xff0c;需采用拉压式支座或在边跨主梁内加配重的措施&＃xff0c;边墩台的受力不好。

⑵ 边跨较小时&＃xff0c;主墩靠岸一侧的单柱轴力较小&＃xff0c;另一单柱轴力较大。故外立柱的偏心距大&＃xff0c;将产生较大拉应力。但可采取下述措施克服这个缺点&＃xff1a;

①边跨合拢前&＃xff0c;在边跨大悬臂端加压重&＃xff0c;边跨合拢后卸载。结构分析表明&＃xff0c;卸载后&＃xff0c;外立柱仍可获得因加压增加压力的90%。

②中跨合拢前顶推主梁&＃xff0c;使主墩向岸方向产生水平位移&＃xff0c;然后锁定中跨合拢段&＃xff0c;再浇边跨和中跨的合拢段砼。顶推力应根据计算确定。

③改变中跨底板纵向预应力钢束的张拉程序。一般是在中跨合拢后才张拉中跨跨中附近的底板钢束&＃xff0c;这时将引起墩身弯矩&＃xff0c;此弯矩与恒载墩身弯矩方向相同&＃xff0c;对墩身受力不利。改为将部分底板钢束在中跨合拢前张拉&＃xff0c;可减小墩身的弯矩。

边跨较大时的优缺点&＃xff0c;与上述边跨较小的优缺点相反。

4.2 两跨T 构

两跨T 构多采用等跨布置&＃xff0c;对结构受力有利&＃xff0c;也方便进行对称施工。

有时受地形限制&＃xff0c;也可以采用不等跨布置。小跨与大跨跨径之比&＃xff0c;不宜过小&＃xff0c;否则对桥墩受力不利。一般宜大于0.8。例如贵州省崇遵公路两岔河大桥&＃xff0c;由于某种特殊原因&＃xff0c;跨径为132m&＃43;126m。小跨与大跨之比0.955。0 号梁段长16m 在托架上现浇&＃xff0c;2×105.5m 用挂篮悬浇施工&＃xff0c;先合拢小跨端部12.5m 梁段&＃xff0c;然后再将大跨悬浇一个4.5m 的梁段&＃xff0c;最后浇筑大跨合拢段(亦为现浇段)长14m。

两跨T 构&＃xff0c;由于悬臂浇筑施工过程&＃xff0c;悬臂长度大&＃xff0c;主梁根部负弯矩大&＃xff0c;导致主梁梁高较大。在三跨正常布孔其中跨跨径与两跨T 构跨径相同的情况下&＃xff0c;后者主梁根部高度约为前者的1.6 倍。所以&＃xff0c;如果桥长相等&＃xff0c;后者往往造价较高。对于两跨T 构方案&＃xff0c;要注意进行经济技术分析。

4.3 多跨连续刚构

四跨或四跨以上&＃xff0c;可以对称布置&＃xff0c;也可以非对称布置。中间1 跨或几跨为主跨&＃xff0c;跨径相等。边跨跨径一般逐渐减小。相邻两跨如跨径不等时&＃xff0c;小跨与大跨之比&＃xff0c;正常情况下不宜小于0.52。上限则比较灵活&＃xff0c;有的桥达到0.8。

以下是几

座四跨或四跨以上连续刚构的孔跨情况&＃xff0c;可供参考。

广东洛溪大桥&＃xff1a;65m&＃43;125m&＃43;180m&＃43;110m&＃xff0c;连续长度480m&＃xff1b;

贵阳小关大桥&＃xff1a;69m&＃43;125m&＃43;160m&＃43;160m&＃43;112m&＃xff0c;连续长度626m&＃xff1b;

福建石崆山高架桥&＃xff1a;60m&＃43;115m&＃43;155m&＃43;115m&＃43;115m&＃43;115m&＃43;65m&＃xff0c;连续长度740m。

四跨或四跨以上连续刚构的一个重要特点就是&＃xff1a;大跨与小跨对应的悬臂施工T 构的长度不相等&＃xff0c;出现大T 和小T&＃xff0c;设计和施工都更复杂一些。

4.4 小边跨连续刚构

有时受地形或其他条件限制&＃xff0c;可能出现很小的边跨&＃xff0c;其跨径与相邻较大跨径之比小于0.5。对桥墩和主梁受力不利&＃xff0c;设计有下述两种处理措施&＃xff1a;

4.4.1 当小边跨梁端的负反力较大&＃xff0c;难以消除时&＃xff0c;采用基础锚碇的方法平衡负反力。例如&＃xff1a;

四川省泸州长江二桥&＃xff0c;孔跨布置为145m&＃43;252m&＃43;54.75m&＃xff0c;小边跨箱梁通过5.25m 长的合拢段与桥台刚性连接。按锚碇桥台设计&＃xff0c;布置18 根方形锚桩&＃xff0c;通过设在锚桩内的竖向预应力束将桥台可靠地锚于基岩中。桥台长26m&＃xff0c;与箱梁结构一致&＃xff0c;两端加隔板&＃xff0c;箱内用浆砌石填心&＃xff0c;小边跨的纵向预应力束锚于台

尾。桥台为三向预应力结构。

4.4.2 当小边跨跨径不是很小时&＃xff0c;采用大、小T 和调整边跨构造尺寸的方法协调恒载分布&＃xff0c;以改善边主墩的受力。

5 主梁构造与尺寸

5.1 箱梁高度

连续刚构桥几乎都采用变高度箱型断面&＃xff0c;故仅对箱型断面进行论述。

5.1.1 三跨对称布置时的主梁高度

⑴ 主梁根部高度

早期设计的连续刚构桥&＃xff0c;主梁根部高度多为L/18&＃xff5e;L/20(L 为中跨跨径&＃xff0c;下同)。

近年连续刚构桥出现了一些病害,主要是箱梁腹板产生斜裂缝和跨中挠度过大&＃xff0c;箱梁根部高度有增大的趋势&＃xff0c;大约在L/16&＃xff5e;L/17 之间。

⑵ 主梁跨中高度

主梁跨中高度大约在L/45&＃xff5e;L/60 之间。当跨径较小时&＃xff0c;从构造和方便施工考虑&＃xff0c;跨中梁高一般不宜小于2m。

5.1.2 两跨T 构的主梁高度

国内外已建成的两跨T 构桥很少。主要原因是主梁高度大&＃xff0c;不经济。

5.1.3 孔跨非对称布置时的主梁高度

孔跨非对称布置时&＃xff0c;一般情况下会出大、小T。

大、小T 的根部梁高应按结构计算控制。作为初步拟定尺寸&＃xff0c;下述两点可供参考&＃xff1a;

⑴ 大T 的根部梁高约为大T 边跨跨径的1/10&＃xff1b;

⑵ 小T 的根部梁高约为(2h-h1)&＃xff0c;式中h&＃xff1d;L/16&＃xff5e;L/17&＃xff1b;L 为中跨跨径&＃xff0c;h1为大T 根部梁高。

中跨最小梁高约为中跨跨径的1/40。

5.1.4 主梁高度变化曲线

主梁高度的变化曲线&＃xff0c;常用的有三种&＃xff1a;按二次抛物线变化&＃xff0c;按正弦曲线变化和按半立方抛物线变化。

图2 表示主梁从根部高度ha 变化到跨中高度hb。几种变化曲线主梁高度hj 的计算公式如下&＃xff1a;

早期的设计多采用二次抛物线变化。近期由于多座连续刚构桥产生腹板斜裂缝&＃xff0c;且常出现在L/4 附近&＃xff0c;为了增大该区段的主梁高度&＃xff0c;采用半立方抛物线变化有利于减小主拉应力。但有的论文则认为&＃xff0c;从增大底板下缘曲率半径以减小预应力束径向力考虑&＃xff0c;建议采用二次抛物线。

5.2 箱梁顶、底板和腹板厚度

5.2.1 顶板厚度

根据箱的宽度和是否布置横向预应力筋&＃xff0c;顶板跨中厚度在25cm&＃xff5e;35cm 之间变化。一般情况下不小于25cm。0 号梁段和边跨现浇段梁端的顶板应加厚&＃xff0c;一般加厚至50&＃xff5e;70cm。顶板两侧的根部要布置承托&＃xff0c;其尺寸应根据顶板预应力钢束构造要求确定。

箱梁两侧的悬臂板&＃xff0c;其端部厚度一般为15&＃xff5e;20cm。当布置横向预应力筋时&＃xff0c;多用20cm&＃xff0c;根部设置承托&＃xff0c;尺寸由顶板钢束构造要求确定。

边跨梁端因设置伸缩缝&＃xff0c;顶板厚度(含两侧悬臂板)要满足预埋锚固钢筋的要求。

5.2.2 底板厚度

跨中底板厚度一般取25&＃xff5e;35cm。主梁根部底板厚度一般取根部梁高的1/8&＃xff5e;1/10。0 号梁段底板应加厚&＃xff0c;一般取根部梁高的1/6&＃xff5e;1/7。边跨现浇段梁端的底板厚度应按端横隔板的构造要求确定。

从箱梁根部至跨中&＃xff0c;底板厚度应采用渐变&＃xff0c;其变化曲线多采用半立方抛物线或二次抛物线。

5.2.3 腹板厚度

腹板厚度主要取决于布置预应力筋和浇注砼必要的间隙等构造要求。从箱梁根部至跨中&＃xff0c;根据跨径的大小&＃xff0c;可分为不同厚度的二段或三段。一般在80~40cm之间取值。当腹板内设置下弯钢束和竖向预应力筋时&＃xff0c;腹板厚度按构造要求确定。

沿纵向腹板厚度不宜突变&＃xff0c;可安排在一个梁段内完成渐变。

0 号梁段的腹板要加厚&＃xff0c;根据跨径的大小&＃xff0c;一般在80cm&＃xff5e;140cm 之间取值。边跨主梁端部附近应结合端横隔板设计&＃xff0c;加大腹板厚度&＃xff0c;并设置一渐变段与一般梁段的腹板厚度衔接。

5.3 箱梁横隔板

通常的做法是&＃xff0c;在0 号梁段对应于主墩墩柱位置布置横隔板&＃xff0c;其厚度与桥墩两壁的厚度一致&＃xff1b;另外还在边跨支承处布置端横隔板&＃xff0c;其厚度可根据边跨跨径的大小&＃xff0c;在0.8&＃xff5e;2m 之间取值。其余梁段不设横隔板。

近年有的连续刚构桥曾发生底板崩裂的事故。当箱梁较宽时&＃xff0c;为了减小底板钢束径向力的不利影响&＃xff0c;有的设计在主梁跨中布置横隔板。

当边跨跨径较大&＃xff0c;箱梁较窄时&＃xff0c;为了提高梁端支承的抗扭能力&＃xff0c;必要时可将端横隔板延伸至箱外(至腹板的外侧)&＃xff0c;梁端支承相应移至腹板之外。

所有横隔板都应设孔洞&＃xff0c;以保证箱内通道全桥贯通。孔洞大小&＃xff0c;应方便管养人员及小型机具通过。

6 主墩构造与尺寸

6.1 设计原则

在满足抗弯、抗压强度和压杆稳定的前提下&＃xff0c;桥墩应具有较小的抗推刚度&＃xff0c;使温度、砼收缩、徐变和顺桥向地震的不利影响降至最低限度。

6.2 墩身结构型式及尺寸

6.3 墩身设计参数的优化

墩身设计参数为双柱的中距S&＃61;2e 和壁厚b(参阅图3)&＃xff0c;影响S 和b 的主要因素是主跨跨径L 和墩高H。三滩黄河大桥(78&＃43;140&＃43;78m 连续刚构)设计中&＃xff0c;采用有限元计算和参数回归分析&＃xff0c;得到以下初步结论&＃xff1a;

⑴ 随着b 值的减小&＃xff0c;桥墩整体稳定安全系数λ减小&＃xff0c;桥墩所受弯矩、轴力显著减小&＃xff1b;

⑵ 随着s 值的减小&＃xff0c;桥墩整体稳定安全系数λ减小&＃xff0c;桥墩所受弯矩减小&＃xff0c;桥墩所受轴力增大&＃xff1b;反之亦然。

6.4 部分连续刚构桥主墩S 值和b 值

6.5 桥墩防撞设计

位于通航河流或有漂流物的河流上的桥墩&＃xff0c;设计时应考虑船舶或漂流物的撞击作用。撞击作用标准值及计算方法按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)第4.4.2 条执行。

6.6 桥墩抗渗设计

位于水中或变动水位区域的桥墩应进行抗渗设计。应按《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》(JTG D62-2004)第1.0.10 条的规定&＃xff0c;根据最大作用水头与墩身砼壁厚之比确定设计采用的抗渗等级。设计应对抗渗砼的配合比及主要技术措施提出要求。

7 其他方面

7.1 箱梁的管养、检修通道

箱梁内应设置贯通全桥的管养、检修通道。进出口尽可能布置在边跨梁端的桥台(或桥墩)上&＃xff0c;一般情况下不宜布置在箱梁的底板上。箱内所有的横隔板要设置孔洞&＃xff0c;其尺寸至少要满足人员通行。

7.2 箱内泄水孔

为了排除施工期箱内雨水&＃xff0c;可在箱梁最低处(根部底板上)布置2&＃xff5e;4 个直径为100mm&＃xff5e;120mm 的泄水管&＃xff0c;竖向贯穿底板。

7.3 箱内通气孔

为了降低箱内外的温差&＃xff0c;应在每一梁段的底板或腹板上设置6&＃xff5e;8 个直径为60mm&＃xff5e;80mm 的通气孔。

7.4 梁段结合面上设剪力齿

悬浇梁段之间的施工缝&＃xff0c;为箱梁的薄弱断面&＃xff0c;影响主梁的整体性&＃xff0c;为了提高梁段接缝传递剪力的能力&＃xff0c;应在已浇梁段的端面设置剪力齿。

7.5 预留更换支座的空间

支座使用寿命远小于箱梁&＃xff0c;使用期更换支座是不可避免的。布置支座的墩台&＃xff0c;设计时要预留更换支座操作的空间。